譚競(jìng)男 王存巖 汪龍騰 牟曉蕾

（煙臺(tái)大學(xué)土木工程學(xué)院）

1 概述

為適應(yīng)復(fù)雜的自然環(huán)境，許多生物不斷調(diào)整自身結(jié)構(gòu)，形成了適應(yīng)自然的最優(yōu)形態(tài)。通過(guò)模仿生物的形態(tài)構(gòu)造來(lái)突破人們?cè)诮Y(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)方面的局限性是仿生學(xué)的最初目的。經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，仿生學(xué)應(yīng)用廣泛，例如：通過(guò)對(duì)座頭鯨的歌聲進(jìn)行分析，開(kāi)展水下隱蔽通信的隱蔽水下通信技術(shù)[1]；通過(guò)對(duì)蚱蜢視覺(jué)系統(tǒng)、目標(biāo)障礙物識(shí)別以及識(shí)別后圖像處理等技術(shù)進(jìn)行研究后，制造出可代替部分人工進(jìn)行探測(cè)和定位工作的仿生機(jī)器人[2]；通過(guò)模仿魚(yú)類(lèi)的線型對(duì)離心風(fēng)機(jī)進(jìn)行改進(jìn)，得到了全面提升了風(fēng)機(jī)的工作性能[3]；仿鵠類(lèi)尾緣鋸齒狀結(jié)構(gòu)降低風(fēng)機(jī)葉片氣動(dòng)噪聲的旋轉(zhuǎn)機(jī)械降噪[4-5]等諸多方面。

隨著國(guó)家關(guān)于噪聲污染防治報(bào)告的發(fā)布[6]，減少聲污染受到越來(lái)越多的關(guān)注。如圖1所示，長(zhǎng)耳鸮能夠在夜間靜音捕食，其翅膀前緣非光滑結(jié)構(gòu)能夠延緩和降低氣流分離，尾緣的鋸齒結(jié)構(gòu)能夠減小氣流擾動(dòng)，翅膀表面的條紋結(jié)構(gòu)能夠?qū)饬髌鸬绞崂碜饔?，使紊流向?qū)恿鞣较虬l(fā)展，這幾種特性使長(zhǎng)耳鸮捕食飛行過(guò)程中聲音更?。回堫^鷹被稱(chēng)為靜音飛行者，其翅膀羽毛呈梳狀分布，羽毛根部呈鋸齒狀分布，這種生物結(jié)構(gòu)大大降低了其在飛行過(guò)程中的聲音[7-10]，以此為依據(jù)，人們開(kāi)展了關(guān)于貓頭鷹的仿生降噪結(jié)構(gòu)研究。將貓頭鷹的降噪特征應(yīng)用于機(jī)械葉片達(dá)到降噪效果，是現(xiàn)階段常見(jiàn)的應(yīng)用之一。

圖1 長(zhǎng)耳鸮翅膀簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Simplified structure of wings of long eared owl

大多數(shù)旋轉(zhuǎn)機(jī)械噪聲的來(lái)源主要分為三類(lèi)：分別為單極子聲源、偶極子聲源和四極子聲源，而聲源主要與機(jī)械的葉片厚度、湍流應(yīng)力以及相關(guān)部件氣動(dòng)力等葉片構(gòu)造有關(guān)。研究發(fā)現(xiàn)模仿生物結(jié)構(gòu)和形態(tài)是人們突破瓶頸的有效方法。

仿生降噪的研究方法有兩種，分別是實(shí)驗(yàn)研究和數(shù)值模擬[11]，其中實(shí)驗(yàn)方法以常見(jiàn)的風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)為主；模擬研究的主要方法有脫體渦模擬法、大渦模擬法、聲類(lèi)比法、熱膜陣列技術(shù)和平面?zhèn)髀暺麝嚵蟹ǖ?，并借助Ffowcs Williams-Hawkings 方程（簡(jiǎn)稱(chēng)FW-H 方程）進(jìn)行詳細(xì)的研究。下面從鳥(niǎo)類(lèi)的仿生降噪結(jié)構(gòu)的降噪效果進(jìn)行詳細(xì)介紹。

2 結(jié)構(gòu)分類(lèi)

對(duì)鳥(niǎo)類(lèi)翅膀仿生降噪結(jié)構(gòu)的研究大致可分為三類(lèi)：分別為在翼型前緣處添加仿生結(jié)構(gòu)，例如：波浪形前緣結(jié)構(gòu)、正弦波形前緣結(jié)構(gòu)、鋸齒形前緣結(jié)構(gòu)等；在尾緣處添加仿生結(jié)構(gòu)，例如：鋸齒形尾緣結(jié)構(gòu)、凹凸形尾緣結(jié)構(gòu)等；耦合仿生結(jié)構(gòu)即將兩種或兩種以上的仿生降噪結(jié)構(gòu)類(lèi)型進(jìn)行組合得到新型結(jié)構(gòu)。同一類(lèi)型的結(jié)構(gòu)，其降噪效果因結(jié)構(gòu)尺寸和結(jié)構(gòu)形狀等因素的差異而不同。

2.1 前緣處的仿生降噪結(jié)構(gòu)

前緣結(jié)構(gòu)的降噪性在研究鳥(niǎo)類(lèi)翅膀降噪性時(shí)得到了證實(shí)。前緣處的仿生降噪結(jié)構(gòu)種類(lèi)眾多，例如：按比例添加前緣小翼、添加前緣鋸齒結(jié)構(gòu)、凹凸結(jié)構(gòu)、多孔結(jié)構(gòu)等。下面就不同因素對(duì)降噪效果的影響展開(kāi)詳細(xì)介紹。

2.1.1 結(jié)構(gòu)形狀對(duì)噪聲的影響

噪聲的產(chǎn)生涉及因素眾多，形狀不同勢(shì)必會(huì)對(duì)流體的流動(dòng)過(guò)程產(chǎn)生巨大影響。常見(jiàn)的前緣降噪結(jié)構(gòu)形狀有：波浪狀、刨根波齒狀、圓弧齒狀、鋸齒狀等，如圖2所示，下面就不同形狀的降噪效果展開(kāi)詳細(xì)分析。

圖2 不同形狀的前緣結(jié)構(gòu)Fig.2 Leading edge structures of different shapes

前緣圓弧齒狀結(jié)構(gòu)具有整流和控制氣流分離的特性，對(duì)因翼型表面氣流壓力脈動(dòng)及渦流脫離引發(fā)的氣動(dòng)噪聲有明顯的抑制作用[12]，在接下來(lái)關(guān)于前緣圓弧齒狀結(jié)構(gòu)的研究中，也進(jìn)一步驗(yàn)證了它的降噪效果[13]。刨根波齒狀前緣加快了葉片表面的流體流動(dòng)速度，將大尺度渦破碎成小尺度渦，降低了葉片表面的壓力脈動(dòng)，總聲壓級(jí)最多可降低9dB[14]。在翼型前緣吸力面附加微小翼型可以提高翼型抵抗流動(dòng)分離的能力，在大攻角下，可以將失速攻角從16°延遲至22°，噪聲聲壓級(jí)最大減小約7.23%，降噪效果顯著[15]。

波浪形前緣的降噪效果也十分顯著，當(dāng)來(lái)流為各向異性的湍流時(shí)，波浪形前緣能夠有效降低葉片的干涉噪聲，在不改變?cè)肼曋赶蛐缘那疤嵯?，最大降噪量可達(dá)3.4dB[16]，波浪形前緣的降噪效果也在其他葉片上得到了證實(shí)[17]。正弦波形前緣能夠改變翼型流場(chǎng)和渦脫落結(jié)構(gòu)，起到抑制窄帶尖峰噪聲的作用[18]。

將鋸齒狀前緣應(yīng)用于翼型或飛行器上，通過(guò)改變翅翼周?chē)牧鲌?chǎng)狀態(tài)，改變前緣、后緣以及翅翼表面的壓力脈動(dòng)強(qiáng)度，從而降低氣動(dòng)噪聲[19]。該結(jié)構(gòu)也能夠引起沿正弦超前方向噪聲源之間的相消干擾，從而達(dá)到降噪效果；前緣雙波鋸齒結(jié)構(gòu)是將兩個(gè)單波鋸齒結(jié)構(gòu)疊加而成，它能夠通過(guò)相消干擾實(shí)現(xiàn)比單鋸齒結(jié)構(gòu)更好的降噪效果[20]。多孔狀前緣結(jié)構(gòu)是在鋸齒狀前緣的基礎(chǔ)上，在齒間添加了多孔材料，通過(guò)抑制表面壓力波動(dòng)來(lái)衰減噪聲，比鋸齒狀前緣的降噪效果更好[21]。綜上所述，各形狀的前緣結(jié)構(gòu)在各自的應(yīng)用情況下，對(duì)噪聲均有一定程度的抑制，能夠達(dá)到降低噪聲的效果。

2.1.2 結(jié)構(gòu)尺寸對(duì)噪聲的影響

噪聲的產(chǎn)生和變化作用機(jī)制復(fù)雜，除結(jié)構(gòu)形狀會(huì)嚴(yán)重影響流體流動(dòng)外，結(jié)構(gòu)尺寸的影響也不可忽視，并有研究證實(shí)了這一結(jié)論[22-23]。結(jié)構(gòu)尺寸主要指寬度、高度和寬高比等，如圖3（c）所示，L代表高度，b代表寬度，寬高比即為b/L，其中寬度又稱(chēng)為周期，高度又稱(chēng)為幅值，寬高比稱(chēng)為周期與幅值的比值。

圖3 不同尺寸的前緣結(jié)構(gòu)Fig.3 Leading edge structures of different sizes

波浪形前緣對(duì)干涉噪聲的抑制作用已被多方證實(shí)[16-17]，將波浪形前緣應(yīng)用在風(fēng)機(jī)葉片上，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，前緣峰值振幅與縱向振幅之比是抑制干涉噪聲的重要因素。當(dāng)振幅與入射風(fēng)波長(zhǎng)的比值大致為0.3時(shí)，對(duì)干涉噪聲的抑制可達(dá)80%[24]。更有研究表明，波浪形前緣的幅值和幅值與周期比值與降噪量呈正相關(guān)；總聲壓級(jí)的降噪量隨波浪前緣的周期的減小而增大，當(dāng)周期大于10%弦長(zhǎng)時(shí)，相關(guān)性變小，當(dāng)周期小于10%弦長(zhǎng)時(shí)，相關(guān)性迅速增大[25]。

前緣鋸齒結(jié)構(gòu)的降噪效果在2.1.1小節(jié)中已有詳細(xì)介紹。有研究表明，前緣鋸齒結(jié)構(gòu)的降噪效果對(duì)鋸齒振幅和鋸齒波長(zhǎng)較為敏感，振幅越大，波長(zhǎng)越小的前緣鋸齒結(jié)構(gòu)，其降噪效果越好[26]。

正弦波形前緣結(jié)構(gòu)的降噪量隨相對(duì)振幅的增大而減小，隨相對(duì)波長(zhǎng)的減小而減小（相對(duì)振幅指波形振幅和弦長(zhǎng)的比值，相對(duì)波長(zhǎng)指波長(zhǎng)和弦長(zhǎng)的比值，振幅即幅值，弦長(zhǎng)指翼型前端至翼型后端的長(zhǎng)度，波長(zhǎng)指一個(gè)周期中波線的長(zhǎng)度）[18]，通過(guò)降噪效果的變化，得出結(jié)構(gòu)的詳細(xì)相關(guān)尺寸變化對(duì)降噪效果產(chǎn)生巨大影響的結(jié)論。

2.2 尾緣處的仿生降噪結(jié)構(gòu)

尾緣處的仿生降噪結(jié)構(gòu)有圓弧狀尾緣、四邊狀尾緣、鋸齒狀尾緣等多種類(lèi)型，如圖4 所示?，F(xiàn)有的研究以鋸齒狀尾緣居多，下面以鋸齒狀尾緣為例，討論結(jié)構(gòu)形狀、結(jié)構(gòu)尺寸等因素對(duì)降噪效果的影響。

圖4 不同形狀的尾緣結(jié)構(gòu)Fig.4 Trailing edge structures of different shapes

2.2.1 結(jié)構(gòu)形狀對(duì)降噪效果的影響

關(guān)于結(jié)構(gòu)形狀的影響，本文主要針對(duì)現(xiàn)有研究較多的傳統(tǒng)形鋸齒尾緣、傾斜形鋸齒尾緣和多孔材料形鋸齒尾緣進(jìn)行介紹。傳統(tǒng)形鋸齒尾緣是將帶有鋸齒形狀的結(jié)構(gòu)替代原有的直尾緣結(jié)構(gòu)，在此基礎(chǔ)上研究結(jié)構(gòu)的降噪效果。近些年不斷有學(xué)者證實(shí)了傳統(tǒng)形鋸齒的降噪效果[17,27,28]，將鋸齒結(jié)構(gòu)應(yīng)用于風(fēng)機(jī)葉片上，結(jié)果表明：鋸齒結(jié)構(gòu)能明顯改變風(fēng)機(jī)葉片表面邊界層的氣流狀態(tài)，具有降噪效果[29-31]。將鋸齒結(jié)構(gòu)應(yīng)用于泵葉片上的降噪效果也得到了驗(yàn)證[32]。

鋸齒結(jié)構(gòu)有抑制流動(dòng)分離和降低入射T-S 波放大程度的能力，能夠降低鈍尾緣脫落渦的展向相關(guān)性，在不改變?cè)肼曋赶蛐缘那疤嵯?，傳統(tǒng)鋸齒結(jié)構(gòu)對(duì)窄帶噪聲的降低量，最多可達(dá)13dB[33]；并能夠加寬尾跡區(qū)域，加快大渦的破碎，形成規(guī)則的馬蹄渦，使湍流脈動(dòng)衰減率沿流動(dòng)方向變大，從而達(dá)到噪聲明顯減小的效果[34]。

針對(duì)單獨(dú)微變?nèi)~片，在低湍流來(lái)流情況下，鋸齒尾緣的降噪量最多可達(dá)14dB，明顯減小了尾緣附近不穩(wěn)定擾動(dòng)波的幅值，對(duì)不穩(wěn)定單音噪聲的抑制效果十分顯著。針對(duì)大轉(zhuǎn)折角，尾緣鋸齒同樣能夠發(fā)揮作用，另外還可以減少或消除下游的大尺度展向脫落渦，從而起到降噪作用[35]。

1）鋸齒尾緣能夠改變各截面尾跡渦的脫落位置，增大渦心之間的距離，減小了壓力脈動(dòng)從而發(fā)揮降低氣動(dòng)噪聲的作用[36]。

2）尾緣鋸齒結(jié)構(gòu)可以降低葉片表面的壓力脈動(dòng)幅值，將展向相關(guān)尺度較大的渦破碎成展向相關(guān)尺度較小的渦并消除尾緣脫落渦[37]。

3）將尾緣鋸齒結(jié)構(gòu)添加到翼型上發(fā)現(xiàn)，鋸齒尾緣能夠明顯降低中低頻范圍內(nèi)的噪聲，通過(guò)抑制渦脫落，降低壓力脈動(dòng)減弱尾緣處的低頻湍流脈動(dòng)與渦量，降低尾緣附近渦的展向相關(guān)性來(lái)實(shí)現(xiàn)降低翼型自噪聲的效果[38]。

4）鋸齒尾緣能夠降低尾緣噪聲，在較大范圍內(nèi)都可以起到降噪效果，降噪量最多可達(dá)到10dB[39]。

傳統(tǒng)形尾緣鋸齒結(jié)構(gòu)的降噪效果已經(jīng)得到了驗(yàn)證，近些年許多專(zhuān)家學(xué)者不斷創(chuàng)新，發(fā)現(xiàn)了一些降噪效果更好的結(jié)構(gòu)，傾斜形尾緣鋸齒結(jié)構(gòu)和多孔材料形尾緣鋸齒結(jié)構(gòu)就是其中的兩種代表。傾斜形尾緣鋸齒結(jié)構(gòu)就是在傳統(tǒng)鋸齒結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上給鋸齒賦予一定的傾斜角度，來(lái)探究其降噪效果，圖5 為三維傾斜形鋸齒示意圖。

圖5 傾斜形鋸齒結(jié)構(gòu)Fig.5 Oblique serrated structure

結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在大攻角范圍內(nèi)（12°～18°），葉片噪聲的最大降噪量可達(dá)17.1dB，在小攻角范圍內(nèi)，對(duì)中頻范圍的“駝峰”現(xiàn)象有明顯的抑制作用。當(dāng)傾斜角為30°時(shí)，鋸齒葉片消除了聲壓頻譜的駝峰窄帶峰，降低整體噪聲[40]。將傾斜形鋸齒尾緣應(yīng)用于軸流風(fēng)機(jī)上也驗(yàn)證了傾斜角為30°時(shí)的最佳效果[41]。在小攻角下，傾斜形鋸齒結(jié)構(gòu)的存在增大了尾緣處得射流阻力，在保持傳統(tǒng)鋸齒結(jié)構(gòu)降噪效果的同時(shí)降低了窄帶尖峰[42]。

圖6 為多孔形鋸齒結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)形鋸齒結(jié)構(gòu)的對(duì)比圖。多孔形尾緣鋸齒結(jié)構(gòu)是在傳統(tǒng)形尾緣鋸齒結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，在齒間添加不同流阻的多孔材料或覆蓋篩網(wǎng)代替多孔材料[43]，期望提升降噪效果。

圖6 多孔形鋸齒結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)形鋸齒結(jié)構(gòu)對(duì)比圖Fig.6 Comparison of porous serrated tooth structure with traditional serrated tooth structure

多孔材料的降噪機(jī)理是通過(guò)上下面壓力差驅(qū)動(dòng)充足氣流穿過(guò)多孔區(qū)域，形成微射流，對(duì)分離塊進(jìn)行破壞，從而衰減葉片表面的氣動(dòng)荷載波動(dòng)，達(dá)到降低氣動(dòng)噪聲的效果[44]。多孔材料在高頻下對(duì)降低寬帶噪聲效果明顯。當(dāng)最佳流阻率確定時(shí)，可以完全抑制渦流脫落音，進(jìn)一步降低寬帶噪聲，結(jié)果證明降噪效果與流阻率明顯相關(guān)[45-46]。高流阻材料的整體噪聲聲壓級(jí)隨材料長(zhǎng)度的增加呈先降低后增加的趨勢(shì)，低流阻材料的整體噪聲聲壓級(jí)隨材料長(zhǎng)度的增加而降低[47]。

2.2.2 結(jié)構(gòu)尺寸對(duì)降噪效果的影響

與前緣處的仿生降噪結(jié)構(gòu)相同，尾緣處的仿生降噪結(jié)構(gòu)也會(huì)受到結(jié)構(gòu)尺寸的影響。這里的尺寸主要指鋸齒的長(zhǎng)度、周期、寬高比。就鋸齒長(zhǎng)度而言，當(dāng)鋸齒的長(zhǎng)度達(dá)到臨界值時(shí)（H/c＞0.001260U～0.005558，H代表鋸齒高度，c代表葉片弦長(zhǎng)，U代表來(lái)流速度,上式可作為噪聲增加區(qū)域和噪聲降低區(qū)域的分界），會(huì)達(dá)到明顯的降噪效果，隨氣流速度的增加會(huì)有一個(gè)隨之變化的極限值，當(dāng)達(dá)到極限值后，降噪量將不再隨鋸齒長(zhǎng)度的增加而增加[25]。

鋸齒的高度對(duì)降噪效果也有影響，隨齒高的增加，降噪效果呈先增加后減小的趨勢(shì)[48]。尾跡區(qū)的湍流強(qiáng)度隨相對(duì)齒高的增加而變小，變紊亂，使湍流與葉片尾跡的相互干涉作用降低，從而降低氣動(dòng)噪聲[49]。

相同寬高比但齒數(shù)不同的鋸齒結(jié)構(gòu)，其氣動(dòng)噪聲水平與齒數(shù)呈正相關(guān)，而相同齒數(shù)不同寬高比的鋸齒結(jié)構(gòu)，其氣動(dòng)噪聲水平與寬高比也呈正相關(guān)[50]。隨寬高比的增大，渦的展向相關(guān)尺度減小，窄帶噪聲的幅值也不斷降低[51]。

更有研究發(fā)現(xiàn)，降噪效果與鋸齒齒角有著明顯相關(guān)性，隨鋸齒齒角的增加，降噪效果也呈上升趨勢(shì)[52-53]，而鋸齒周期的作用機(jī)理復(fù)雜，不能通過(guò)簡(jiǎn)單實(shí)驗(yàn)或數(shù)值模擬得出結(jié)論，還需進(jìn)一步研究。

2.3 表面處的仿生降噪結(jié)構(gòu)

鳥(niǎo)類(lèi)翅膀表面的覆羽結(jié)構(gòu)在靜音飛行中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。長(zhǎng)耳鸮翅膀的溝槽結(jié)構(gòu)也稱(chēng)為條紋結(jié)構(gòu)，能夠起到導(dǎo)流作用，使氣流趨于穩(wěn)定發(fā)展，降低紊流附面層壓力脈動(dòng)強(qiáng)度，有效延遲附面層分離[54]。覆羽結(jié)構(gòu)的降噪效果在不同種鳥(niǎo)類(lèi)的身上都得到了驗(yàn)證[55-56]。

通過(guò)對(duì)雀鷹和長(zhǎng)耳鸮翅膀覆羽的排列特征進(jìn)行提取，設(shè)計(jì)出V 型葉片和圓弧型葉片，發(fā)現(xiàn)二者均有降噪效果，但V型葉片的降噪效果要優(yōu)于圓弧型葉片[57]。對(duì)信鴿體表羽毛特性進(jìn)行提取，應(yīng)用于仿生葉片上，可以同時(shí)發(fā)揮減阻和降噪的效果[58]。

2.4 耦合仿生降噪結(jié)構(gòu)

模仿鳥(niǎo)類(lèi)翅膀前緣處的仿生結(jié)構(gòu)和尾緣處的仿生結(jié)構(gòu)均有明顯的降噪效果，在2.1和2.2小節(jié)中已經(jīng)得到了詳細(xì)的介紹。

為得到降噪效果更好的結(jié)構(gòu)，許多學(xué)者模仿各種鳥(niǎo)類(lèi)的翅膀特征構(gòu)造，例如：鋸齒狀前緣結(jié)構(gòu)、波浪形前緣結(jié)構(gòu)、正弦狀前緣結(jié)構(gòu)、鋸齒狀尾緣結(jié)構(gòu)和表面條紋結(jié)構(gòu)等，在進(jìn)行單一降噪結(jié)構(gòu)的研究后，將前緣結(jié)構(gòu)、尾緣結(jié)構(gòu)以及表面結(jié)構(gòu)進(jìn)行相互組合，得出耦合仿生降噪結(jié)構(gòu)，其降噪效果往往比單一降噪結(jié)構(gòu)的降噪效果更好。

前緣圓齒狀結(jié)構(gòu)和尾緣鋸齒狀結(jié)構(gòu)都有其各自的降噪效果，將二者進(jìn)行耦合得到的結(jié)構(gòu)，其降噪效果更加顯著，大致可將噪聲降低6dB[13]。將前緣波浪形結(jié)構(gòu)和尾緣鋸齒形結(jié)構(gòu)耦合后的結(jié)構(gòu)應(yīng)用到風(fēng)機(jī)葉片上，可以有效地降低葉片表面的壓力脈動(dòng)和尾緣旋渦的脫落頻率，從而降低氣動(dòng)噪聲[59]。

正弦狀前緣和條紋結(jié)構(gòu)耦合后的新型結(jié)構(gòu)對(duì)風(fēng)機(jī)葉片邊界層進(jìn)行了有效的抑制和修正，減弱了湍流猝發(fā)強(qiáng)度，降低了葉片表面紊流附面層的壓力脈動(dòng)強(qiáng)度，有效延遲了附面層分離以及尾渦脫落，降噪效果顯著[54]。

將表面條紋結(jié)構(gòu)和尾緣鋸齒結(jié)構(gòu)進(jìn)行耦合是現(xiàn)有對(duì)鳥(niǎo)類(lèi)翅膀降噪特征進(jìn)行耦合十分常見(jiàn)的一種類(lèi)型，其對(duì)器械的降噪效果已得到驗(yàn)證[60-61]。

將結(jié)構(gòu)應(yīng)用于對(duì)旋風(fēng)機(jī)上發(fā)現(xiàn)，表面肋條結(jié)構(gòu)能夠有效的減弱吸力面和壓力面的壓力梯度，使流場(chǎng)流線更加均勻，而尾緣鋸齒結(jié)構(gòu)能夠減小尾緣渦的脫落，二者共同作用，能夠達(dá)到顯著的降噪效果[62]。

長(zhǎng)耳鵠是仿鳥(niǎo)類(lèi)翅膀降噪中常見(jiàn)的生物，它的翅膀，尤其是40%位置處的線型弧度的降噪效果尤為顯著[56,63]。將長(zhǎng)耳鵠40%位置處的線型和正弦形尾緣鋸齒結(jié)構(gòu)相耦合應(yīng)用到軸流風(fēng)機(jī)葉片上，能夠降低中低頻范圍內(nèi)葉片的寬頻噪聲和離散噪聲，葉片線型的改變使氣流對(duì)葉片前緣的沖擊性減小，減弱葉頂間隙處的泄漏渦強(qiáng)度，進(jìn)一步降低整體的聲壓級(jí)[64]。將鋸齒狀尾緣和表面條紋結(jié)構(gòu)耦合得到的鋸齒條紋結(jié)構(gòu)，在高頻范圍內(nèi)能夠有效降低氣動(dòng)噪聲[65]。

3 結(jié)論

鳥(niǎo)類(lèi)翅膀在自然進(jìn)化過(guò)程中形成的生物結(jié)構(gòu)，有利于靜音飛行，這對(duì)人類(lèi)社會(huì)的進(jìn)步起到推動(dòng)作用。通過(guò)對(duì)鳥(niǎo)類(lèi)翅膀生物特征的詳細(xì)觀察和研究發(fā)現(xiàn)，其翅膀前端的非光滑前緣結(jié)構(gòu)能夠延遲附面層分離，降低壓力脈動(dòng)，同時(shí)能夠減小分離渦的面積；翅膀尾緣的鋸齒結(jié)構(gòu)可以降低展向方向上渦的相關(guān)程度；表面的覆羽結(jié)構(gòu)能夠發(fā)揮整合氣流的作用，使氣流流動(dòng)趨于平緩。將生物結(jié)構(gòu)應(yīng)用于實(shí)際發(fā)現(xiàn)，三種不同位置處的仿生結(jié)構(gòu)都能發(fā)揮顯著的降噪效果。

4 展望

仿生結(jié)構(gòu)的降噪性目前已經(jīng)得到廣泛認(rèn)可。但對(duì)仿生結(jié)構(gòu)的作用機(jī)理和影響因素還沒(méi)有得出明確統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)。仿生降噪涉及的因素眾多，大多只考慮了單一變量的影響，對(duì)于已得出結(jié)論的影響因素，而降噪機(jī)制是多種因素協(xié)同作用的結(jié)果，采用單一變量得出的結(jié)果與實(shí)際可能并不完全相符，這需要我們綜合考慮多種因素的影響，進(jìn)行深入研究。Howe[66-67]對(duì)于降噪理論的預(yù)測(cè)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果[33,68-69]并不一致，與理論相反，寬鋸齒的降噪效果更加顯著，現(xiàn)有的研究與之前的研究在結(jié)論上存在不一致性，這也是對(duì)仿生降噪原理認(rèn)識(shí)不全面的一個(gè)表現(xiàn)。

對(duì)耦合仿生降噪結(jié)構(gòu)的研究，目前還處于基礎(chǔ)探索階段，對(duì)于多種結(jié)構(gòu)的耦合，多數(shù)情況下是學(xué)者隨機(jī)選擇的，并沒(méi)有科學(xué)依據(jù)和研究，也不是總發(fā)揮積極作用。單一凹坑結(jié)構(gòu)和單一鋸齒結(jié)構(gòu)均能發(fā)揮很好的降噪作用，但將二者進(jìn)行耦合，效果卻不如預(yù)期[46,70]?，F(xiàn)階段耦合降噪結(jié)構(gòu)方面的進(jìn)展，也只能為今后的研究提供參考和借鑒，結(jié)論還不能普遍應(yīng)用，只能降低后續(xù)研究的試錯(cuò)成本和時(shí)間代價(jià)。

利用仿生降噪結(jié)構(gòu)引起各噪聲源之間的相消干擾是降低噪聲的一種有效手段，而現(xiàn)有的研究中，對(duì)這種手段的利用并不多見(jiàn)，這也可以作為今后研究的一個(gè)方向。當(dāng)下加快針對(duì)各種情況下適用的仿生降噪結(jié)構(gòu)研究，是我們響應(yīng)國(guó)家政策和亟待解決的重要問(wèn)題。