李明麗

飛機(jī)作為一種便捷的交通工具，縮短了旅人去往目的地的時間，但飛機(jī)噪聲充斥耳間，成為美好旅程的“負(fù)”屬品，特別是在起飛和降落階段，尤其以國際航線更明顯。其實(shí)，不管是民用飛機(jī)還是軍用飛機(jī)，無論是艙內(nèi)噪聲還是艙外噪聲，高強(qiáng)度的噪聲不僅會影響乘客、機(jī)組人員、作戰(zhàn)人員的身心健康，更會影響飛機(jī)結(jié)構(gòu)的安全和機(jī)載精密儀器的性能，對飛行安全、戰(zhàn)斗力產(chǎn)生極大影響。半個多世紀(jì)以來，美、歐等國和地區(qū)投入了大量資源研究飛行器的噪聲問題，并制訂了長遠(yuǎn)計(jì)劃，為實(shí)現(xiàn)所設(shè)定的降噪目標(biāo)，甚至開始探索新的降噪措施。

中國對航空噪聲的研究雖起步稍晚，但伴隨首款大型客機(jī)C919的首飛和大型軍用運(yùn)輸機(jī)運(yùn)-20的列裝，對其的重視程度也在增強(qiáng)。我國的大飛機(jī)要打入國際市場，必須滿足各個國家及地區(qū)所設(shè)定的噪聲適航標(biāo)準(zhǔn)。為提升大飛機(jī)的舒適性，打破國際噪聲適航條款的技術(shù)壁壘，我國采取了一系列積極行動，如成立聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室、開辟獨(dú)立的飛機(jī)噪聲研究方向、借鑒國外的先進(jìn)研究模式等，旨在能在航空噪聲研究與抑制上取得飛速進(jìn)展。

長期從事航空噪聲研究，在飛機(jī)艙內(nèi)振動噪聲的預(yù)測與抑制、飛機(jī)降噪材料設(shè)計(jì)、短艙氣動噪聲預(yù)測與抑制、聲學(xué)超材料、仿生降噪在工程中的應(yīng)用研究等多個方向開展研究，周杰負(fù)笈海外多年，2019年甫一回國，他就切身感受到國家對航空噪聲研究的高度重視和支持力度。入職西北工業(yè)大學(xué)航空學(xué)院，乘勢而上，奉獻(xiàn)所學(xué)，周杰愿為國家航空噪聲研究水平的提升貢獻(xiàn)一份力量。用研究成果解決工程實(shí)際問題，周杰更希望所做工作能伴隨國家需求上天入海，應(yīng)用到社會生活的方方面面。

兒時夢想照進(jìn)現(xiàn)實(shí)

熱血少年似乎對航空航天有天然的興趣，周杰亦如是。年少時看著親手制作的航模飛向湛藍(lán)的天空，他心中溢滿興奮與驕傲。長大后，無論是在哈爾濱工業(yè)大學(xué)讀碩士，做衛(wèi)星隔振研究；還是在英國南安普頓大學(xué)讀博士，做航空噪聲研究，雖然沒有直接參與航天器的“飛”，但周杰所從事工作總算是與航空航天建立了聯(lián)系。

周杰是學(xué)力學(xué)出身，雖所學(xué)基礎(chǔ)專業(yè)與航空航天沒有直接關(guān)聯(lián)，但從進(jìn)入西安交通大學(xué)工程力學(xué)專業(yè)上大學(xué)時起，他就從招生宣傳冊上了解到力學(xué)可以應(yīng)用到航空航天工程上去。因?yàn)榱W(xué)是一門基礎(chǔ)學(xué)科，類似于數(shù)學(xué)，是一種工具，可以解決各行各業(yè)的許多問題。

周杰在“第十三屆全國振動理論及應(yīng)用學(xué)術(shù)會議”上作分會邀請報告

中國在世界力學(xué)界有著名的“兩剛兩健”。即鎖志剛、黃永剛、高華健、盧天健，除黃永剛外，其余3人均畢業(yè)于西安交通大學(xué)力學(xué)系。向前輩們學(xué)習(xí)，周杰在西安交大度過了充實(shí)的大學(xué)時光。畢業(yè)在即，對工程應(yīng)用研究感興趣的他，被保送到哈爾濱工業(yè)大學(xué)做振動研究，跟隨黃文虎院士完成學(xué)業(yè)后，他又出國到做振動噪聲研究的世界名校英國南安普頓大學(xué)繼續(xù)深造，從此與航空噪聲研究結(jié)緣，也堅(jiān)定地走上了解決工程實(shí)際問題的探索之路。

留學(xué)南安普頓大學(xué)是周杰人生中的一段重要經(jīng)歷。那里有先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)技術(shù)，尤其聲學(xué)風(fēng)洞處于國際領(lǐng)先，世界各地的科學(xué)家來此學(xué)習(xí)、交流的同時也帶來了新的知識與經(jīng)驗(yàn)，這讓周杰獲益匪淺。在那里開展的工程應(yīng)用性研究，更讓周杰有了近距離貼近工程實(shí)際問題的機(jī)會。

南安普頓大學(xué)空客噪聲中心承擔(dān)了許多空中客車公司（Airbus，簡稱“空客”）的項(xiàng)目，周杰有幸參與其中。用新型的發(fā)泡類材料替換原來填充在飛機(jī)機(jī)艙側(cè)壁板里有隔熱、隔聲作用的傳統(tǒng)玻璃纖維棉材料是空客的目標(biāo)。如何選擇合適的發(fā)泡材料，采用何種構(gòu)型收到的隔聲效果更好？這需要開發(fā)快速預(yù)估代碼進(jìn)行評測。“飛機(jī)側(cè)壁板是一種三明治結(jié)構(gòu)，外層是鋁合金蒙皮，中間是隔熱、隔聲層，也可以加空氣層。內(nèi)層是裝飾板，就是我們在飛機(jī)里能看到的內(nèi)部裝飾。對這種三明治結(jié)構(gòu)在巡航狀態(tài)下的隔聲能力進(jìn)行評估，要考慮新型材料的各種聲學(xué)參數(shù)，包括它的微結(jié)構(gòu)尺度，還有相互之間的連接方式等。”周杰介紹。

為開展巡航狀態(tài)下飛機(jī)艙內(nèi)噪聲的預(yù)測，周杰做了大量細(xì)致入微的工作。從理論入手，他建立了外界湍流通過三明治結(jié)構(gòu)機(jī)體進(jìn)入飛艙內(nèi)的模型，便捷有效評估了艙內(nèi)噪聲水平的同時，利用泡沫微結(jié)構(gòu)與宏觀聲學(xué)參數(shù)的關(guān)系，通過此理論模型還可以合理地選擇實(shí)際的泡沫材料以達(dá)到更高的傳聲損失。在此基礎(chǔ)上周杰還開發(fā)了一套優(yōu)化程序，針對特定的目標(biāo)要求，能夠快速有效得到最優(yōu)聲學(xué)結(jié)構(gòu)以達(dá)預(yù)期的降噪水平。周杰所做工作得到了空客的認(rèn)可，回國后，他更將這些研究成果用到了航空領(lǐng)域行業(yè)課題“大型飛機(jī)艙內(nèi)聲環(huán)境預(yù)計(jì)與聲品質(zhì)評價研究”的問題解決中。

在對隔聲材料做評測的同時，周杰也在著手研究新型材料，尤其到博士后階段，他將工作側(cè)重點(diǎn)放在超材料研究上，用超材料的設(shè)計(jì)理念提升原有多孔材料的吸、隔聲性能，進(jìn)一步降低飛行器的噪聲，為下一代隔聲方案做技術(shù)儲備。

在南安普頓大學(xué)的8年，周杰迅速成長，他的視野得以開闊，應(yīng)用研究取得巨大進(jìn)展，基礎(chǔ)研究觸及前沿。周杰在國外所做的積累緊密契合了國內(nèi)需求，為用所學(xué)回報祖國，2019年一回國入職西北工業(yè)大學(xué)后，他與航空院所、各類企業(yè)的合作就緊鑼密鼓地展開了。

在聲學(xué)局限中尋突圍

西北工業(yè)大學(xué)航空學(xué)院歷史悠久，被譽(yù)為“中國航空器總設(shè)計(jì)師的搖籃”。堅(jiān)持前沿基礎(chǔ)研究與服務(wù)重大工程并重，重點(diǎn)圍繞航空航天科技前沿和國家戰(zhàn)略科技力量發(fā)展重大需求，著力攻克關(guān)鍵核心技術(shù)，學(xué)院參與了我國絕大部分重點(diǎn)飛機(jī)型號的研制工作，為推動我國航空事業(yè)跨越式發(fā)展和建設(shè)航空強(qiáng)國作出了突出貢獻(xiàn)。西北工業(yè)大學(xué)航空學(xué)院的實(shí)力，周杰早已有所耳聞，因而在選擇回國的工作單位時，毫不猶豫地選擇了它。

航空學(xué)院堅(jiān)持人才強(qiáng)院戰(zhàn)略，鼓勵開展原創(chuàng)性研究和新興交叉方向探索，為周杰開展科研工作提供了不遺余力的支持。安排實(shí)驗(yàn)場地，配套實(shí)驗(yàn)室建設(shè)經(jīng)費(fèi)，搭建專業(yè)實(shí)驗(yàn)設(shè)備，提供足夠多招生指標(biāo)，回國3年，周杰的實(shí)驗(yàn)室發(fā)展很快，團(tuán)隊(duì)也有了一定規(guī)模。

回國后的周杰，生活節(jié)奏比國外要快很多，他承擔(dān)了航空工業(yè)和中國商飛資助的多個大飛機(jī)降噪技術(shù)研究，主持了包括國家自然科學(xué)基金、基礎(chǔ)加強(qiáng)技術(shù)領(lǐng)域基金等各類振動噪聲預(yù)測與控制項(xiàng)目十余項(xiàng)。周杰雖忙碌但感到很充實(shí)，因?yàn)樗闹杏蟹N緊迫感。

2021年教師節(jié)，周杰（前排右四）和課題組學(xué)生合影

“我國在航空聲學(xué)方面已經(jīng)做了大量的研究，但相對于國外我們還處在追趕階段。我國的噪聲適航標(biāo)準(zhǔn)與國外相差一代。目前歐盟和美國執(zhí)行的飛機(jī)噪聲適航標(biāo)準(zhǔn)是第五代，而我國執(zhí)行的仍為第四代標(biāo)準(zhǔn)。我國的大飛機(jī)如果想打入國際市場，就必須滿足各個國家及地區(qū)所設(shè)定的噪聲適航標(biāo)準(zhǔn)。雖然C919現(xiàn)在是按照第五代噪聲試航標(biāo)準(zhǔn)在研發(fā)，能滿足現(xiàn)行階段的國外噪聲試航標(biāo)準(zhǔn)，但實(shí)際上，我在南安普頓大學(xué)空客噪聲中心時，他們已經(jīng)為第六代標(biāo)準(zhǔn)做技術(shù)儲備了。”在國外多年，周杰深知國內(nèi)外存在的差距。

為了提升我國大飛機(jī)的舒適性，打破國際噪聲適航條款方面的技術(shù)壁壘急需在飛機(jī)噪聲抑制方面有所突破。近年來，國際上出現(xiàn)了具有反常性質(zhì)的超構(gòu)材料，即在亞波長尺度上對結(jié)構(gòu)或者材料進(jìn)行有序的設(shè)計(jì)，來獲得超出自然界固有的普通性質(zhì)的超常材料功能，其中就包括用于吸聲的聲學(xué)超構(gòu)表面材料。鑒于聲學(xué)構(gòu)超材料在噪聲控制方面表現(xiàn)出的優(yōu)異潛質(zhì)，國外已經(jīng)開始探索其在航空降噪方面的應(yīng)用，為實(shí)施下一代的噪聲適航標(biāo)準(zhǔn)做準(zhǔn)備。如歐盟于2017年，在地平線H2020框架下設(shè)立了題為“基于超材料的先進(jìn)飛機(jī)降噪技術(shù)”（AdvancEd aicRaft-noIse-AlLeviation devIceS using meTamaterials）的項(xiàng)目，德國和加拿大政府支持空客公司與國際聲學(xué)公司邁克納米（Mecanum）及明尼蘇達(dá)礦務(wù)及制造業(yè)公司（3M公司）等于2018年設(shè)立了題為“新型隔聲超材料在航空降噪應(yīng)用研究”（New Acoustic Insulation Metamaterial Technology for Aerospace Applications）的項(xiàng)目。

為趕超國際，實(shí)現(xiàn)自我創(chuàng)新，國內(nèi)科學(xué)家各自找準(zhǔn)方向紛紛投入對聲學(xué)超構(gòu)材料的研發(fā)中。周杰則將關(guān)注點(diǎn)放在如何用聲學(xué)超構(gòu)表面材料解決航空發(fā)動機(jī)降噪這類工程問題上。“航空發(fā)動機(jī)作為大飛機(jī)噪聲的主要來源之一，能否得到有效抑制，直接決定了我國在航空降噪領(lǐng)域的研究能力與技術(shù)水平。然而，目前聲學(xué)超構(gòu)材料的聲學(xué)特性研究絕大多數(shù)都是基于靜態(tài)無流動條件的，對于建筑領(lǐng)域的噪聲抑制，它是可行的，但對于運(yùn)載工具，特別是高速運(yùn)動的飛機(jī)、載人飛船等，其處在一個高速運(yùn)動的狀態(tài)下，背景場中氣體的流動產(chǎn)生的對流效應(yīng)和對聲波的折射影響，以及引起結(jié)構(gòu)聲阻抗的變化，這都會影響聲學(xué)超構(gòu)表面的降噪特性。實(shí)現(xiàn)聲學(xué)超構(gòu)表面在航空發(fā)動機(jī)降噪的應(yīng)用需要解決很多難題?！敝芙芴寡?。

迎難而上，在國家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目支持下，周杰承擔(dān)的“剪切流場下聲學(xué)超構(gòu)表面的聲學(xué)特性研究與降噪結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)”研究正在順利推進(jìn)中。以大飛機(jī)降噪為需求牽引，航空發(fā)動機(jī)新型聲襯研發(fā)為目標(biāo)，綜合發(fā)展理論分析方法和實(shí)驗(yàn)手段，周杰旨在突破原有靜態(tài)環(huán)境下聲學(xué)超構(gòu)表面設(shè)計(jì)理論與分析方法在氣動聲學(xué)應(yīng)用領(lǐng)域的局限性，設(shè)計(jì)開發(fā)一種適用于航空發(fā)動機(jī)降噪的低流動干擾、寬頻強(qiáng)吸聲的聲學(xué)超構(gòu)表面。他的研究將為聲學(xué)超構(gòu)表面材料應(yīng)用于氣動噪聲降噪領(lǐng)域奠定研究基礎(chǔ)，同時也將有助于拓展聲學(xué)超構(gòu)表面材料在超聲速飛行器、高速列車及水下航行器等運(yùn)載工具在實(shí)際運(yùn)行中的降噪應(yīng)用。

“解決航空降噪問題，關(guān)鍵在于新材料、新結(jié)構(gòu)的應(yīng)用，這是國內(nèi)外的大趨勢，由于航空降噪材料所受限制較多，既要耐高低溫、抗潮濕，又要耐火、抗沖擊，所以研發(fā)結(jié)構(gòu)功能一體化的輕質(zhì)、高效材料是趨勢中的趨勢?！敝芙芙榻B。

自然進(jìn)化使得生物材料具有最合理、最優(yōu)化的宏觀、細(xì)觀、微觀結(jié)構(gòu)，向生物界索取藍(lán)圖的道路，大大開闊了人們的視野。采用仿生學(xué)原理，設(shè)計(jì)、制備新型仿生材料，成為迅速崛起的研究領(lǐng)域。順應(yīng)趨勢，周杰帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)著手開展仿生降噪材料研究。

人類飛行在模仿鳥類，而靜音飛行主要模仿貓頭鷹，貓頭鷹飛起來沒有聲音,與其羽毛的微納結(jié)構(gòu)有關(guān),模仿貓頭鷹羽毛的仿生結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)噪聲控制，一款薄膜仿生材料被周杰團(tuán)隊(duì)研發(fā)出來。這款材料厚度約為25微米，為人類頭發(fā)絲直徑的1/3。將這款材料用到發(fā)泡材料上，不會增加原有發(fā)泡材料的厚度，也不會增加重量，但吸聲能力卻在成倍提高。“新材料、新結(jié)構(gòu)可拓展的空間極大。”周杰說，“而要打破邊界、沖破限制，既要有對科研不懈的堅(jiān)持和投入，還要有創(chuàng)新思維和意識，更要具備打破常規(guī)的勇氣與魄力?！睘榱送卣棺约貉芯康倪吔纾芙苷σ愿?。

把論文寫在祖國大地上

在網(wǎng)上，周杰的個人主頁寫著這樣一句話：“歡迎有志青年來報考碩士生、博士生，我們一起做有意思的事情?！被貒m僅有3年，但在教學(xué)上周杰卻已積攢了一些經(jīng)驗(yàn)。

在南安普頓大學(xué)跟隨張欣老師做博士后時，周杰已在幫老師帶博士生。之后張老師前往香港科技大學(xué)任教，周杰繼續(xù)遠(yuǎn)程帶學(xué)生。這樣的經(jīng)歷，讓周杰有機(jī)會思考師生之間如何教學(xué)相長，尤其張欣老師對他的評價，直接影響他真正成為老師后的教學(xué)方法和態(tài)度。張欣老師曾說，周杰幫他開辟了一個新的方向，因?yàn)樵瓉碚n題組只從事流體力學(xué)和氣動噪聲研究，正是在遇到周杰后，課題組開始了超材料在降噪方面的應(yīng)用研究。

周杰認(rèn)為，教師只是一個引領(lǐng)者，但在創(chuàng)新面前大家都有發(fā)言權(quán)，尤其20歲～30歲之間的年輕人，思想最活躍，想法特別多，點(diǎn)子尤為新奇，初生牛犢不怕虎，更容易爆發(fā)出驚人的創(chuàng)新能力?！鞍褜W(xué)生領(lǐng)進(jìn)科研的世界，給他們自由，讓他們不設(shè)限地去嘗試那些天馬行空的想法。他們的思維開闊了，固化在老師思維中的一些樊籬也會被沖破，創(chuàng)造力帶來的能量和愉悅是大家共同珍視的東西?！敝芙苷f。

周杰支持學(xué)生大膽嘗試新想法，也鼓勵他們跳出自己專業(yè)的小圈子做交叉研究。參加學(xué)術(shù)報告，他會建議大家去了解別的研究方向在做什么，引導(dǎo)大家思考如何借鑒其他學(xué)科的知識去豐富自己的研究。為了讓交叉水到渠成，周杰組建團(tuán)隊(duì)時也刻意做了一些安排，團(tuán)隊(duì)中有做流體力學(xué)的學(xué)生，有做固體材料的學(xué)生。還有做AI智能算法的學(xué)生。在如此交融的環(huán)境下，大家的交流多了，想法也更加活躍了。

在高校工作，周杰認(rèn)為教學(xué)是他最重要的責(zé)任。他把教學(xué)當(dāng)成一門藝術(shù)，花心思去琢磨，更把自己做科研的理念融入到教學(xué)中。雖然教授的是比較基礎(chǔ)的數(shù)學(xué)課，但他不會單純地只講數(shù)學(xué)，面向航空航天方向的學(xué)生，枯燥地灌輸數(shù)學(xué)知識，他認(rèn)為學(xué)生們不能完全理解這些知識將來能干什么。告訴學(xué)生數(shù)學(xué)的應(yīng)用背景，并結(jié)合自己的研究做講解，把枯燥的課程變得生動，既提升了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，又將學(xué)以致用，服務(wù)國家、民生，用研究成果解決工程實(shí)際問題的科研理念傳遞了出去。

不只限于在課堂上傳播這樣的科研理念，在科研實(shí)踐中周杰也是這樣做的。他與航空工業(yè)第一飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院合作，進(jìn)行大飛機(jī)艙內(nèi)噪聲預(yù)測、聲品質(zhì)評價及降噪材料的研發(fā)；與中國船舶重工集團(tuán)公司第七〇一研究所合作，做水下航行器降噪材料的研發(fā)。在工程應(yīng)用方面，目前周杰申請的5個專利，已獲批2個。現(xiàn)在，他正與第一飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院共同申請螺旋槳飛機(jī)的艙內(nèi)噪聲測試專利。

不光上天下水，周杰的研究還應(yīng)用到了與民生密切相關(guān)的電力領(lǐng)域，與國家電網(wǎng)公司電網(wǎng)環(huán)保重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、國家電網(wǎng)陜西研究院合作，針對變電站產(chǎn)生的中低頻噪聲，結(jié)合實(shí)際變電站降噪和通風(fēng)需求，周杰利用管道聲學(xué)理論和聲學(xué)超材料理念，將“回”形空腔的中低頻吸聲特性和多孔材料的高頻吸聲特性進(jìn)行了結(jié)合，提出了一種超構(gòu)復(fù)合矩陣式消聲器，與傳統(tǒng)阻性消聲器相比，在100～400Hz的低頻范圍內(nèi)，超構(gòu)復(fù)合矩陣式消聲器較傳統(tǒng)阻性消聲器的降噪性能得到明顯提升，傳聲損失能夠提高5dB以上，很好實(shí)現(xiàn)了變電站降噪和通風(fēng)需求。另外，他還拿到陜西省天然氣揭榜掛帥項(xiàng)目，要開展天然氣管道的減振降噪研究。把論文寫在祖國大地上，軍用或民用，飛機(jī)或其他領(lǐng)域，周杰的研究正應(yīng)用到具體工程實(shí)踐的方方面面。

“仰望星空，腳踏實(shí)地”是周杰一直秉持的科研準(zhǔn)則。上可解決國家“卡脖子”問題，下可服務(wù)社會民生，是周杰的科研夢想。為實(shí)現(xiàn)夢想，周杰愿用一生孜孜以求。

專家簡介

周杰，西北工業(yè)大學(xué)航空學(xué)院教授。西安交通大學(xué)學(xué)士、哈爾濱工業(yè)大學(xué)碩士、英國南安普頓大學(xué)博士。他長期從事航空噪聲的研究，曾參與空中客車、香港特區(qū)政府、航空工業(yè)和中國商飛資助的多個大飛機(jī)降噪技術(shù)研究?；貒笾鞒謬易匀豢茖W(xué)基金、基礎(chǔ)加強(qiáng)技術(shù)領(lǐng)域基金等各類振動噪聲預(yù)測與控制項(xiàng)目十余項(xiàng)。發(fā)表SCI論文40余篇，其中包括發(fā)表于《聲與振動》(Journal of Sound and Vibration)、《極端力學(xué)快報》(Extreme Mechanics Letters)、《應(yīng)用物理》(Journal of Applied Physics）等領(lǐng)域內(nèi)國際期刊論文多篇。擔(dān)任陜西省第六屆振動工程協(xié)會副理事長、中國振動工程學(xué)會振動與噪聲控制專業(yè)委員會委員、中國商飛大飛機(jī)噪聲研究與控制聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室委員、《航空學(xué)報》中英文版青年編委等。