猫头鹰——涡轮机降噪的缪斯之神

材料牛注：仿生界又放新大招啦！科学家从猫头鹰翅膀的独特纤维结构中找到了空气动力学降噪的灵感，可能不久以后就能对飞机发动机使用静音键了呢。

(a, b) 雕鸮 (Bubo) (c)大灰猫头鹰(Strix nebulosi)和(d)雪鸮(Bubo scandiacus)的羽毛

许多种类的猫头鹰在捕猎时发出频率高于1.6千赫兹（kHz）的声音，这一频率超过人类的听觉范围。因此对于人类而言，猫头鹰的“沉默”其实是虚拟沉默。

利哈伊大学工程与应用科学学院、机械工程和力学专业的助理教授Justin W. Jaworski和其他研究人员共同组成了关于猫头鹰飞行声学的研究团队，他们正在努力探索猫头鹰产生虚拟沉默的原理，希望能将这一原理应用于人造空气动力学的优化设计，例如对风力涡轮机、飞机、海军船舶甚至汽车的优化和改善设计。

目前，研究团队通过物理实验和理论建模的方法，成功实现了以猫头鹰羽毛为原型建模，使用3D打印技术制造机翼附件。在不影响空气动力学作用的情况下，将风力涡轮机噪音减少了10分贝之多。他们进一步研究了这种设计减少粗糙噪声和后缘噪声的机理。需要注意的是，后缘噪声在低速运行过程中是普遍存在的，并且决定了整个过程的最小噪声值。减少机翼噪声的应用不局限于风力涡轮机，也可以应用于其他空气动力学情况，例如用于降低空气穿过汽车门和窗户时产生的噪声。

研究人员将研究结果总结在两篇即将发表的论文中，一篇题为“Bio-inspired trailing edge noise control”的文章发表在American Institute of Aeronautics上，另一篇题为“Bio-inspired canopies for the reduction of roughness noise”的文章发表在Journal of Sound and Vibration上。

来自利哈伊大学、弗吉尼亚理工大学、佛罗里达大西洋大学和剑桥大学的研究人员们特别注意到一种独特的物理现象：许多大猫头鹰的翼上表面存在一层柔软的绒毛，一些其他的鸟类也存在同样的构造，这层绒毛对猫头鹰的无噪音飞行也有一定作用。在显微镜下可以观察到，猫头鹰翅膀下部的绒毛具有类似于森林的排列方式。绒毛最初几乎垂直于羽毛表面生长，但随后在流动方向上弯曲，形成在顶部具有互锁倒钩结构的冠部-交叉纤维。

在他们的实验中：使用悬挂网状织物（最初使用婚纱面料）模拟猫头鹰翅膀上表面冠层，达到类似砂纸表面的粗糙度；使用弗吉尼亚理工大学的壁面射流风洞模拟空气流动。

实验表明，去除交叉纤维，仅使用单向冠层对于去除噪声是最有效。因为这种设计避免了织物表面的高频自噪声，同时降低了产生噪声的表面压力。研究团队使用3D打印技术制作了可以拼接到较大的翼型件（或翅膀）的小型“鳍状”塑料配件。这种“鳍状”的发明可以用于现有的机翼设计的改进，配合其它降噪方法甚至可以更大程度上降低噪声。

“我们设计中最有效的部分是模仿了猫头鹰翅膀的绒毛纤维，但是去掉了交叉纤维的部分，”Jaworski说。“猫头鹰翼面的冠层阻挡了噪声流，我们的设计模仿了猫头鹰翼面的绒毛形态，但没有进行交叉纤维的设计，而是创造一个单向的气流栅栏，这种设计比猫头鹰更好。”

原文链接：Owl-Inspired Wing Design Reduces Wind Turbine Noise by 10 Decibels.

文献链接：Bio-inspired trailing edge noise control.

Bio-inspired canopies for the reduction of roughness noise.

本文由材料人编辑部丁菲菲提供素材，刘育辰编译，万鑫浩审核，点我加入材料人编辑部。

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