貓頭鷹——渦輪機降噪的繆斯之神

材料牛注：仿生界又放新大招啦！科學家從貓頭鷹翅膀的獨特纖維結構中找到了空氣動力學降噪的靈感，可能不久以后就能對飛機發動機使用靜音鍵了呢。

(a, b) 雕鸮 (Bubo) (c)大灰貓頭鷹(Strix nebulosi)和(d)雪鸮(Bubo scandiacus)的羽毛

許多種類的貓頭鷹在捕獵時發出頻率高于1.6千赫茲（kHz）的聲音，這一頻率超過人類的聽覺范圍。因此對于人類而言，貓頭鷹的“沉默”其實是虛擬沉默。

利哈伊大學工程與應用科學學院、機械工程和力學專業的助理教授Justin W. Jaworski和其他研究人員共同組成了關于貓頭鷹飛行聲學的研究團隊，他們正在努力探索貓頭鷹產生虛擬沉默的原理，希望能將這一原理應用于人造空氣動力學的優化設計，例如對風力渦輪機、飛機、海軍船舶甚至汽車的優化和改善設計。

目前，研究團隊通過物理實驗和理論建模的方法，成功實現了以貓頭鷹羽毛為原型建模，使用3D打印技術制造機翼附件。在不影響空氣動力學作用的情況下，將風力渦輪機噪音減少了10分貝之多。他們進一步研究了這種設計減少粗糙噪聲和后緣噪聲的機理。需要注意的是，后緣噪聲在低速運行過程中是普遍存在的，并且決定了整個過程的最小噪聲值。減少機翼噪聲的應用不局限于風力渦輪機，也可以應用于其他空氣動力學情況，例如用于降低空氣穿過汽車門和窗戶時產生的噪聲。

研究人員將研究結果總結在兩篇即將發表的論文中，一篇題為“Bio-inspired trailing edge noise control”的文章發表在American Institute of Aeronautics上，另一篇題為“Bio-inspired canopies for the reduction of roughness noise”的文章發表在Journal of Sound and Vibration上。

來自利哈伊大學、弗吉尼亞理工大學、佛羅里達大西洋大學和劍橋大學的研究人員們特別注意到一種獨特的物理現象：許多大貓頭鷹的翼上表面存在一層柔軟的絨毛，一些其他的鳥類也存在同樣的構造，這層絨毛對貓頭鷹的無噪音飛行也有一定作用。在顯微鏡下可以觀察到，貓頭鷹翅膀下部的絨毛具有類似于森林的排列方式。絨毛最初幾乎垂直于羽毛表面生長，但隨后在流動方向上彎曲，形成在頂部具有互鎖倒鉤結構的冠部-交叉纖維。

在他們的實驗中：使用懸掛網狀織物（最初使用婚紗面料）模擬貓頭鷹翅膀上表面冠層，達到類似砂紙表面的粗糙度；使用弗吉尼亞理工大學的壁面射流風洞模擬空氣流動。

實驗表明，去除交叉纖維，僅使用單向冠層對于去除噪聲是最有效。因為這種設計避免了織物表面的高頻自噪聲，同時降低了產生噪聲的表面壓力。研究團隊使用3D打印技術制作了可以拼接到較大的翼型件（或翅膀）的小型“鰭狀”塑料配件。這種“鰭狀”的發明可以用于現有的機翼設計的改進，配合其它降噪方法甚至可以更大程度上降低噪聲。

“我們設計中最有效的部分是模仿了貓頭鷹翅膀的絨毛纖維，但是去掉了交叉纖維的部分，”Jaworski說。“貓頭鷹翼面的冠層阻擋了噪聲流，我們的設計模仿了貓頭鷹翼面的絨毛形態，但沒有進行交叉纖維的設計，而是創造一個單向的氣流柵欄，這種設計比貓頭鷹更好。”

原文鏈接：Owl-Inspired Wing Design Reduces Wind Turbine Noise by 10 Decibels.

文獻鏈接：Bio-inspired trailing edge noise control.

Bio-inspired canopies for the reduction of roughness noise.

本文由材料人編輯部丁菲菲提供素材，劉育辰編譯，萬鑫浩審核，點我加入材料人編輯部。

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