@ 2020.04.18 , 17:59

安静的猫头鹰:无声飞行之谜

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。

安静的猫头鹰: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Nigel Peake在《2020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1934年,英国飞行员和鸟类鉴赏家Robert Rule Graham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Christopher Clark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”,字面意思就是指它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Thomas Geyer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Ian Clark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关注,并且最近推出了第二代“ Dino Tail”(恐龙尾巴 )涡轮机,其设计灵感直接来自于猫头鹰翅膀的梳子。

目前有两种理解猫头鹰飞行的方法:一种是基于流体运动方程和风洞实验的工程学观点,另一种是基于解剖学、行为学和基因组学的生物学观点。一个真正的综合故事可能需要两者兼而有之。即使是工程师们也意识到,基于刚性的、没有羽毛的翅膀的理想化研究是不够的。猫头鹰很可能是主动而不是被动地利用羽毛和翅膀的小形状调整来操纵气流。工程师们甚至还没有接近于理解这个过程,这个过程跨越了几个大小尺度,从羽毛的倒刺到单个羽毛,再到整个翅膀。

安静的猫头鹰:无声飞行之谜
猫头鹰飞行时身后的湍流

南卡罗来纳州沿海卡罗莱纳大学的Roi Gurka说:“我们缺少的是微观的理论。”他对飞行的猫头鹰进行的实验做出了对猫头鹰翅膀周围流场的计算机模拟。他说:“我理解翅膀,但理解单个羽毛形态在降噪中的作用是另一回事。”

在科学家们争论的同时,谷仓鸮会像往常一样继续飞行——它的圆脸像月亮一样沉稳,耳朵捕捉着下一顿晚餐,羽毛轻柔地滑过空气。

原文:https://www.knowablemagazine.org/article/technology/2020/how-owls-fly-without-making-a-sound


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