李忠東

貓頭鷹飛行時悄然無聲

靜音飛行技高一籌

貓頭鷹的頭面部寬大，嘴短而粗壯，前端成鉤狀，頭部正面的羽毛排列成面盤，部分種類具有耳狀羽毛。雙目的分布、面盤和耳羽，使它們的頭部與貓極其相似，故俗稱“貓頭鷹”，別名“神貓鷹”。其中，毛腿漁鸮和雕鸮是最大的貓頭鷹品種，它們的翅展可達(dá)2米。令人難以置信的是，貓頭鷹在空中滑翔時竟然沒有聲音，即使從你身旁飛過，你也只能聽到輕微的“嗖嗖”聲。

鳥類專家特瑞西·尼克松回憶稱，幾年前一個寂靜的夜晚，她在走廊上與一只貓頭鷹不期而遇。在貓頭鷹用翅膀拍打到自己之前，特瑞西竟沒有絲毫感覺，這種經(jīng)歷讓她至今難以忘懷。貓頭鷹多以具備敏銳聽覺的田鼠和老鼠為食，它能在黑夜里以非?？斓乃俣葻o聲地進(jìn)行俯沖，精準(zhǔn)地捕捉到這些獵物。它們可以將絕大部分的飛行噪聲控制在1600赫茲以下的低頻范圍，而其獵物的聽覺只對頻率在2000赫茲以上的聲音敏感。

貓頭鷹是猛禽中飛行噪聲最小的。長期以來，貓頭鷹的無聲飛行吸引了許多鳥類學(xué)者，因?yàn)闆]有其他任何一種鳥擁有這種能力。英國南安普敦大學(xué)航空和航天學(xué)榮譽(yù)退休教授杰弗里·里爾利，是研究貓頭鷹無聲飛行及其在航空工業(yè)領(lǐng)域的潛在應(yīng)用的先驅(qū)者，他現(xiàn)在供職于弗吉尼亞的美國宇航局蘭利研究中心，主要從事靜音航空器技術(shù)項(xiàng)目的研究。

這位科學(xué)家通過研究發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)鳥類在飛行時，羽毛拍打空氣會發(fā)出“嗖嗖”的聲音，其中大部分都能被捕獵的動物聽見。而夜行貓頭鷹是一個例外，獨(dú)特的羽毛排列使它們成為世界上最安靜的飛行鳥類，對于它們的獵物來說有時甚至是無聲的。

在貓頭鷹的翅膀上，特別是在飛羽的前端，有著一層凸起的梳狀結(jié)構(gòu)。這些凸起物可以在飛行中產(chǎn)生極為細(xì)小的渦流，幫助理順流經(jīng)貓頭鷹翅膀的氣流，讓氣流不易分離。氣流不易分離便不容易產(chǎn)生湍流，噪音水平自然就更低。在貓頭鷹翅膀的后緣，還有一些非常柔軟細(xì)長的小刷子一樣的軟毛，這些軟毛可以在翅膀的后端再次梳理氣流，讓氣流始終以比較規(guī)律的方式流經(jīng)它的翅膀。

有趣的是，風(fēng)洞測試和理論計(jì)算證明，貓頭鷹翅膀的梳狀結(jié)構(gòu)和小刷子一樣的軟毛，往往在大迎角飛行時的降噪效果最好。因此處于大迎角的飛行狀態(tài)，對于貓頭鷹來講極為重要。貓頭鷹翅膀的深層還隱藏著獨(dú)特的降噪秘密——它們的翅膀下層分布著極為蓬松的軟毛，這些軟毛可以吸收飛行時產(chǎn)生的噪聲，這與采用多孔材料來降噪是同一個道理。通過這種機(jī)制，與其他猛禽相比，貓頭鷹飛行的噪聲可以降低2到3個分貝。

另外，貓頭鷹體表羽毛的多級分叉結(jié)構(gòu)，包括絨毛末級分叉的“竹節(jié)”結(jié)構(gòu)，也在氣動噪聲能量耗散方面發(fā)揮著重要作用。它們的翅膀和尾部的羽毛具有特別的力學(xué)特性，彈性模量較大，不易變形，能夠用于調(diào)整和保持飛行姿態(tài)，并獲得最大升力。而身體其他部位的絨毛因彈性模量較小，較為柔軟，在飛行過程中受到氣流沖擊時，可以通過變形來吸收噪聲能量。

鳥類學(xué)家認(rèn)為，由于無聲的飛行，夜行貓頭鷹的聽力異常靈敏。它們的兩只耳朵在頭骨上的位置不對稱，其中一只比另一只更高、更向前一些，且兩只耳朵的形狀也有微小的差別。這種不對稱使得貓頭鷹通過兩只耳朵聽到的聲音也有細(xì)微的不同，這就使它們能更加準(zhǔn)確地確定聲音的來源。

貓頭鷹的翅膀（左下圖為前緣梳，右下圖是后緣邊緣）

讓飛機(jī)飛得更安靜

從誕生之初，飛機(jī)就伴隨著噪聲，在低空起降過程中產(chǎn)生的噪聲尤為強(qiáng)烈。而由直升機(jī)旋翼的空氣動力槳葉拍擊空氣產(chǎn)生的噪聲，在夜晚和溫度較低的環(huán)境里非常突顯。對于即將降落的飛機(jī)來說，很大一部分噪聲不是出自發(fā)動機(jī)，而是源于飛機(jī)周圍的氣流。特別是在空氣湍流沖過機(jī)翼后緣時，更會產(chǎn)生沉悶的轟鳴聲。為了解決飛機(jī)帶來的強(qiáng)烈噪聲，人們將目光投向了貓頭鷹。

貓頭鷹靜音飛行是多個降噪因素綜合產(chǎn)生的總體效應(yīng)。貓頭鷹的翅膀翼型和初級飛羽的形態(tài)結(jié)構(gòu)，發(fā)揮著消聲降噪的作用。而大量分布在貓頭鷹身體其他部位的絨毛的形態(tài)結(jié)構(gòu)，以及貓頭鷹的皮膚和皮下結(jié)構(gòu)，起到了吸聲降噪的效果。

美國利哈伊大學(xué)機(jī)械工程與力學(xué)系賈斯汀·賈沃斯基團(tuán)隊(duì)對不同鳥類產(chǎn)生的噪聲水平進(jìn)行了詳細(xì)比較，然后從微觀細(xì)節(jié)分析貓頭鷹如何實(shí)現(xiàn)無聲飛行。賈斯汀表示：“貓頭鷹的無聲飛行已經(jīng)有2000萬年的歷史，而我們到現(xiàn)在才發(fā)現(xiàn)它們抑制翅膀發(fā)出‘嗖嗖噪聲的機(jī)制。我們希望能利用這個原理，在未來20年中制造出低噪聲的飛機(jī)，在未來20到50年內(nèi)制造出更加靜音的飛機(jī)?！?/p>

該團(tuán)隊(duì)在實(shí)驗(yàn)室的測量結(jié)果表明，一種名叫“倉鸮”的貓頭鷹在飛行時激起的氣流聲低于人類的聽覺閾值，只有與它接近到1米左右的距離時才能聽到輕微的“嗖嗖”聲。倉鸮的面相是一個呆萌的心形，有時還會瞇眼“微笑”，這與它“硬核”的性格形成反差。它們最著名的行為就是能夠快速有力卻毫無聲響地飛行，但叫聲卻非常尖利刺耳——甚至可以瞬間使獵物陷于極度恐慌之中。

為了設(shè)計(jì)出更低噪聲的風(fēng)扇、渦輪葉片和飛機(jī)機(jī)翼，研究人員計(jì)劃用數(shù)學(xué)方法計(jì)算出如何使機(jī)翼的后緣不再那么堅(jiān)硬，更多孔且更具柔韌性，以此來減少噪聲。這些計(jì)算結(jié)果得到了風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)的支持，各種多孔材料的確降低了噪聲。德國勃蘭登堡理工大學(xué)的托馬斯·蓋爾研究發(fā)現(xiàn)，像貓頭鷹翅膀一般大小的多孔彈性機(jī)翼可以比普通機(jī)翼減少2～5分貝的噪聲。不過托馬斯表示，合適的多孔材料至關(guān)重要，在風(fēng)洞測試中，某些材料實(shí)際上增加了高頻噪聲。

倉鸮飛行時激起的氣流聲低于人類的聽覺閾值

抑制噪聲初見成效

2011年5月1日夜間，美軍執(zhí)行了獵殺本·拉登的軍事行動。行動中配備的兩架直升機(jī)引起了人們的好奇。傳統(tǒng)直升機(jī)槳翼發(fā)出的噪聲很大，一般在很遠(yuǎn)的距離就能被發(fā)現(xiàn)。而這一次，居住在附近的居民卻稱，他們一開始并沒有聽到直升機(jī)飛行的聲音，直到距離很近才有所察覺。

原來，在此次軍事行動中執(zhí)行任務(wù)的兩架直升機(jī)的旋翼，模仿了夜行貓頭鷹翅膀消音的原理，分別在旋翼前緣添加凸起結(jié)構(gòu)、在后緣添加鋸齒狀結(jié)構(gòu)，因此獲得了良好的降噪效果。同時，貓頭鷹翅膀的鋸齒狀結(jié)構(gòu)還被應(yīng)用在了航空發(fā)動機(jī)的機(jī)箱上，改變了大多數(shù)管口的常規(guī)平滑邊緣，限制了引擎下行氣流的噪聲，讓飛行器更加安靜，同時還提高了飛行效率。

著名風(fēng)力渦輪機(jī)制造商——德國西門子風(fēng)電公司，一直在關(guān)注并設(shè)法降低渦輪機(jī)的噪聲，因?yàn)橹挥薪鯚o聲的工作，才能使它們在人口稠密地區(qū)運(yùn)行時被人們所接受。該制造商發(fā)現(xiàn)，采用貓頭鷹翅膀的梳狀構(gòu)造可以極大地減少風(fēng)力渦輪機(jī)葉片轉(zhuǎn)動時產(chǎn)生的氣動噪聲，避免擾民。最近推出的西門子第二代Dino Tail渦輪機(jī)十分引人注目，其設(shè)計(jì)靈感直接來自貓頭鷹翅膀。

德國西門子風(fēng)電公司氣動聲學(xué)領(lǐng)域的主要專家斯蒂芬·烏利曼斯對此評價道：“聰明的貓頭鷹一直都在做正確的事，高水平的仿生學(xué)似乎是推進(jìn)航空技術(shù)發(fā)展和有效捕獲風(fēng)能的好方法。第二代Dino Tail渦輪機(jī)的結(jié)構(gòu)不會影響空氣動力學(xué)性能，葉片前部的渦流發(fā)生器與每個葉片后緣上的鋸齒和梳齒組合相結(jié)合。由于在葉片輪廓上方的快速氣流與來自葉片輪廓下方的較慢氣流相遇處產(chǎn)生精細(xì)的渦流，因此葉片后緣的空氣動力噪聲能夠顯著降低。改進(jìn)的氣動聲學(xué)性能使風(fēng)力渦輪機(jī)發(fā)出的噪聲微乎其微，可以任意放置在人口稠密地區(qū)?！?p>

西門子推出低噪聲風(fēng)力渦輪機(jī)葉片，其靈感來自貓頭鷹的無聲飛行