安静的猫头鹰无声飞行之谜

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没人知道猫头鹰如何无声的穿过黑夜,但它启发了人类设计出更安静的飞机、风扇和风力涡轮机。这种大型鸟类翼展可达六英尺(1.8米)以上,但它们在空中滑行时悄无声息。

实验室的测量结果表明,谷仓鸮(一种猫头鹰)飞行时激起的气流声低于人类的听觉阈值,只有与它接近到三英尺(0.9米)左右的距离时才能听到轻微的嗖嗖声,个中缘由生物学家和工程师们还没完全弄清楚。为了设计出更安静的风扇、涡轮叶片和飞机机翼,来自这两个学科的研究人员正在努力破解猫头鹰的无声飞行之谜。

只有当人站在1米左右时才能听到猫头鹰飞行的声音

Jaworski和NigelPeake在《年流体力学年度回顾》的综述中写道,受猫头鹰启发的创新设计可以将噪音降低多达10分贝,这类似于路过的卡车与汽车之间的噪音差异。

早在年,英国飞行员和鸟类鉴赏家RobertRuleGraham呼吁人们留意猫头鹰翅膀上的三个结构可能是关键所在,80多年后加利福尼亚大学河滨分校的鸟类学家ChristopherClark称之为“三个特征范式”。

首先Graham指出了猫头鹰翅膀非同寻常的结构,他称之为“梳子”,字面意思上,它就像一把梳子从翅膀的前缘向前伸出来。;其次他指出大多数猫头鹰的翅膀都覆盖着一层柔软的天鹅绒般的羽毛。最后他观察到翅膀后缘上的羽毛形成了参差不齐的流苏。今天的大多数研究人员仍然认可梳子、天鹅绒和流苏以某种方式结合以减少噪音的理论,但猫头鹰可能还有更多秘密。

要解释猫头鹰是如何抑制噪音的,首先要弄清楚噪音的来源。对于即将降落的飞机来说,很大一部分噪声不是来自发动机,而是来自飞机周围的气流,特别是机翼后缘产生的声音。空气湍流冲过机翼的外露边缘就会产生沉闷的轰鸣声。减少这种噪音的一种方法是使机翼的后缘不那么硬,更多孔且更具柔韧性。这可能是猫头鹰翅膀参差不齐的边缘的功能。Jaworski和Peake用数学方法计算了工程师们如何利用这种多孔性和弹性来减少噪音,以及如何量化这种减少的噪音。

这些计算得到风洞实验的支持:各种多孔材料的确降低了噪声。德国勃兰登堡理工大学的ThomasGeyer的研究发现,像猫头鹰一样大小的多孔弹性机翼可以比普通机翼安静2到5分贝。不过Geyer表示合适的多孔材料至关重要。在风洞测试中,某些材料实际上增加了高频噪声。

NASA兰利研究中心的Jaworski和IanClark试图通过在标准的机翼上覆盖各种织物来模仿猫头鹰的天鹅绒,获奖的纺织品是婚纱。最终研究人员通过在风力涡轮机的叶片上贴上微小的塑料3D打印的"小翼片",得到了更好的效果。

“在一定的频率范围内,我们看到噪音降低了10分贝”,Jaworski说,“这听起来可能并不多,但是在空气声学方面,工程师需要克服2-3分贝,10分贝就是一半的噪音。对于任何技术来说,这都是巨大的变化。”风力涡轮机制造商西门子显然一直在



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