仿鳥翼結構葉片的降噪研究進展*

譚競男 王存巖 汪龍騰 牟曉蕾

（煙臺大學土木工程學院）

1 概述

為適應復雜的自然環境，許多生物不斷調整自身結構，形成了適應自然的最優形態。通過模仿生物的形態構造來突破人們在結構和設計方面的局限性是仿生學的最初目的。經過幾十年的發展，仿生學應用廣泛，例如：通過對座頭鯨的歌聲進行分析，開展水下隱蔽通信的隱蔽水下通信技術[1]；通過對蚱蜢視覺系統、目標障礙物識別以及識別后圖像處理等技術進行研究后，制造出可代替部分人工進行探測和定位工作的仿生機器人[2]；通過模仿魚類的線型對離心風機進行改進，得到了全面提升了風機的工作性能[3]；仿鵠類尾緣鋸齒狀結構降低風機葉片氣動噪聲的旋轉機械降噪[4-5]等諸多方面。

隨著國家關于噪聲污染防治報告的發布[6]，減少聲污染受到越來越多的關注。如圖1所示，長耳鸮能夠在夜間靜音捕食，其翅膀前緣非光滑結構能夠延緩和降低氣流分離，尾緣的鋸齒結構能夠減小氣流擾動，翅膀表面的條紋結構能夠對氣流起到梳理作用，使紊流向層流方向發展，這幾種特性使長耳鸮捕食飛行過程中聲音更??；貓頭鷹被稱為靜音飛行者，其翅膀羽毛呈梳狀分布，羽毛根部呈鋸齒狀分布，這種生物結構大大降低了其在飛行過程中的聲音[7-10]，以此為依據，人們開展了關于貓頭鷹的仿生降噪結構研究。將貓頭鷹的降噪特征應用于機械葉片達到降噪效果，是現階段常見的應用之一。

圖1 長耳鸮翅膀簡化結構圖Fig.1 Simplified structure of wings of long eared owl

大多數旋轉機械噪聲的來源主要分為三類：分別為單極子聲源、偶極子聲源和四極子聲源，而聲源主要與機械的葉片厚度、湍流應力以及相關部件氣動力等葉片構造有關。研究發現模仿生物結構和形態是人們突破瓶頸的有效方法。

仿生降噪的研究方法有兩種，分別是實驗研究和數值模擬[11]，其中實驗方法以常見的風洞實驗為主；模擬研究的主要方法有脫體渦模擬法、大渦模擬法、聲類比法、熱膜陣列技術和平面傳聲器陣列法等，并借助Ffowcs Williams-Hawkings 方程（簡稱FW-H 方程）進行詳細的研究。下面從鳥類的仿生降噪結構的降噪效果進行詳細介紹。

2 結構分類

對鳥類翅膀仿生降噪結構的研究大致可分為三類：分別為在翼型前緣處添加仿生結構，例如：波浪形前緣結構、正弦波形前緣結構、鋸齒形前緣結構等；在尾緣處添加仿生結構，例如：鋸齒形尾緣結構、凹凸形尾緣結構等；耦合仿生結構即將兩種或兩種以上的仿生降噪結構類型進行組合得到新型結構。同一類型的結構，其降噪效果因結構尺寸和結構形狀等因素的差異而不同。

2.1 前緣處的仿生降噪結構

前緣結構的降噪性在研究鳥類翅膀降噪性時得到了證實。前緣處的仿生降噪結構種類眾多，例如：按比例添加前緣小翼、添加前緣鋸齒結構、凹凸結構、多孔結構等。下面就不同因素對降噪效果的影響展開詳細介紹。

2.1.1 結構形狀對噪聲的影響

噪聲的產生涉及因素眾多，形狀不同勢必會對流體的流動過程產生巨大影響。常見的前緣降噪結構形狀有：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詳細分析。

圖2 不同形狀的前緣結構Fig.2 Leading edge structures of different shapes

前緣圓弧齒狀結構具有整流和控制氣流分離的特性，對因翼型表面氣流壓力脈動及渦流脫離引發的氣動噪聲有明顯的抑制作用[12]，在接下來關于前緣圓弧齒狀結構的研究中，也進一步驗證了它的降噪效果[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，總聲壓級最多可降低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，當來流為各向異性的湍流時，波浪形前緣能夠有效降低葉片的干涉噪聲，在不改變噪聲指向性的前提下，最大降噪量可達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[17]。正弦波形前緣能夠改變翼型流場和渦脫落結構，起到抑制窄帶尖峰噪聲的作用[18]。

將鋸齒狀前緣應用于翼型或飛行器上，通過改變翅翼周圍的流場狀態，改變前緣、后緣以及翅翼表面的壓力脈動強度，從而降低氣動噪聲[19]。該結構也能夠引起沿正弦超前方向噪聲源之間的相消干擾，從而達到降噪效果；前緣雙波鋸齒結構是將兩個單波鋸齒結構疊加而成，它能夠通過相消干擾實現比單鋸齒結構更好的降噪效果[20]。多孔狀前緣結構是在鋸齒狀前緣的基礎上，在齒間添加了多孔材料，通過抑制表面壓力波動來衰減噪聲，比鋸齒狀前緣的降噪效果更好[21]。綜上所述，各形狀的前緣結構在各自的應用情況下，對噪聲均有一定程度的抑制，能夠達到降低噪聲的效果。

2.1.2 結構尺寸對噪聲的影響

噪聲的產生和變化作用機制復雜，除結構形狀會嚴重影響流體流動外，結構尺寸的影響也不可忽視，并有研究證實了這一結論[22-23]。結構尺寸主要指寬度、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，其中寬度又稱為周期，高度又稱為幅值，寬高比稱為周期與幅值的比值。

圖3 不同尺寸的前緣結構Fig.3 Leading edge structures of different sizes

波浪形前緣對干涉噪聲的抑制作用已被多方證實[16-17]，將波浪形前緣應用在風機葉片上，結果發現，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。當振幅與入射風波長的比值大致為0.3時，對干涉噪聲的抑制可達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；總聲壓級的降噪量隨波浪前緣的周期的減小而增大，當周期大于10%弦長時，相關性變小，當周期小于10%弦長時，相關性迅速增大[25]。

前緣鋸齒結構的降噪效果在2.1.1小節中已有詳細介紹。有研究表明，前緣鋸齒結構的降噪效果對鋸齒振幅和鋸齒波長較為敏感，振幅越大，波長越小的前緣鋸齒結構，其降噪效果越好[26]。

正弦波形前緣結構的降噪量隨相對振幅的增大而減小，隨相對波長的減小而減?。ㄏ鄬φ穹覆ㄐ握穹拖议L的比值，相對波長指波長和弦長的比值，振幅即幅值，弦長指翼型前端至翼型后端的長度，波長指一個周期中波線的長度）[18]，通過降噪效果的變化，得出結構的詳細相關尺寸變化對降噪效果產生巨大影響的結論。

2.2 尾緣處的仿生降噪結構

尾緣處的仿生降噪結構有圓弧狀尾緣、四邊狀尾緣、鋸齒狀尾緣等多種類型，如圖4 所示?，F有的研究以鋸齒狀尾緣居多，下面以鋸齒狀尾緣為例，討論結構形狀、結構尺寸等因素對降噪效果的影響。

圖4 不同形狀的尾緣結構Fig.4 Trailing edge structures of different shapes

2.2.1 結構形狀對降噪效果的影響

關于結構形狀的影響，本文主要針對現有研究較多的傳統形鋸齒尾緣、傾斜形鋸齒尾緣和多孔材料形鋸齒尾緣進行介紹。傳統形鋸齒尾緣是將帶有鋸齒形狀的結構替代原有的直尾緣結構，在此基礎上研究結構的降噪效果。近些年不斷有學者證實了傳統形鋸齒的降噪效果[17,27,28]，將鋸齒結構應用于風機葉片上，結果表明：鋸齒結構能明顯改變風機葉片表面邊界層的氣流狀態，具有降噪效果[29-31]。將鋸齒結構應用于泵葉片上的降噪效果也得到了驗證[32]。

鋸齒結構有抑制流動分離和降低入射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性，在不改變噪聲指向性的前提下，傳統鋸齒結構對窄帶噪聲的降低量，最多可達13dB[33]；并能夠加寬尾跡區域，加快大渦的破碎，形成規則的馬蹄渦，使湍流脈動衰減率沿流動方向變大，從而達到噪聲明顯減小的效果[34]。

針對單獨微變葉片，在低湍流來流情況下，鋸齒尾緣的降噪量最多可達14dB，明顯減小了尾緣附近不穩定擾動波的幅值，對不穩定單音噪聲的抑制效果十分顯著。針對大轉折角，尾緣鋸齒同樣能夠發揮作用，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，減小了壓力脈動從而發揮降低氣動噪聲的作用[36]。

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

3）將尾緣鋸齒結構添加到翼型上發現，鋸齒尾緣能夠明顯降低中低頻范圍內的噪聲，通過抑制渦脫落，降低壓力脈動減弱尾緣處的低頻湍流脈動與渦量，降低尾緣附近渦的展向相關性來實現降低翼型自噪聲的效果[38]。

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

傳統形尾緣鋸齒結構的降噪效果已經得到了驗證，近些年許多專家學者不斷創新，發現了一些降噪效果更好的結構，傾斜形尾緣鋸齒結構和多孔材料形尾緣鋸齒結構就是其中的兩種代表。傾斜形尾緣鋸齒結構就是在傳統鋸齒結構的基礎上給鋸齒賦予一定的傾斜角度，來探究其降噪效果，圖5 為三維傾斜形鋸齒示意圖。

圖5 傾斜形鋸齒結構Fig.5 Oblique serrated structure

結果發現，在大攻角范圍內（12°～18°），葉片噪聲的最大降噪量可達17.1dB，在小攻角范圍內，對中頻范圍的“駝峰”現象有明顯的抑制作用。當傾斜角為30°時，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用于軸流風機上也驗證了傾斜角為30°時的最佳效果[41]。在小攻角下，傾斜形鋸齒結構的存在增大了尾緣處得射流阻力，在保持傳統鋸齒結構降噪效果的同時降低了窄帶尖峰[42]。

圖6 為多孔形鋸齒結構與傳統形鋸齒結構的對比圖。多孔形尾緣鋸齒結構是在傳統形尾緣鋸齒結構的基礎上，在齒間添加不同流阻的多孔材料或覆蓋篩網代替多孔材料[43]，期望提升降噪效果。

圖6 多孔形鋸齒結構與傳統形鋸齒結構對比圖Fig.6 Comparison of porous serrated tooth structure with traditional serrated tooth structure

多孔材料的降噪機理是通過上下面壓力差驅動充足氣流穿過多孔區域，形成微射流，對分離塊進行破壞，從而衰減葉片表面的氣動荷載波動，達到降低氣動噪聲的效果[44]。多孔材料在高頻下對降低寬帶噪聲效果明顯。當最佳流阻率確定時，可以完全抑制渦流脫落音，進一步降低寬帶噪聲，結果證明降噪效果與流阻率明顯相關[45-46]。高流阻材料的整體噪聲聲壓級隨材料長度的增加呈先降低后增加的趨勢，低流阻材料的整體噪聲聲壓級隨材料長度的增加而降低[47]。

2.2.2 結構尺寸對降噪效果的影響

與前緣處的仿生降噪結構相同，尾緣處的仿生降噪結構也會受到結構尺寸的影響。這里的尺寸主要指鋸齒的長度、周期、寬高比。就鋸齒長度而言，當鋸齒的長度達到臨界值時（H/c＞0.001260U～0.005558，H代表鋸齒高度，c代表葉片弦長，U代表來流速度,上式可作為噪聲增加區域和噪聲降低區域的分界），會達到明顯的降噪效果，隨氣流速度的增加會有一個隨之變化的極限值，當達到極限值后，降噪量將不再隨鋸齒長度的增加而增加[25]。

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

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

更有研究發現，降噪效果與鋸齒齒角有著明顯相關性，隨鋸齒齒角的增加，降噪效果也呈上升趨勢[52-53]，而鋸齒周期的作用機理復雜，不能通過簡單實驗或數值模擬得出結論，還需進一步研究。

2.3 表面處的仿生降噪結構

鳥類翅膀表面的覆羽結構在靜音飛行中發揮著至關重要的作用。長耳鸮翅膀的溝槽結構也稱為條紋結構，能夠起到導流作用，使氣流趨于穩定發展，降低紊流附面層壓力脈動強度，有效延遲附面層分離[54]。覆羽結構的降噪效果在不同種鳥類的身上都得到了驗證[55-56]。

通過對雀鷹和長耳鸮翅膀覆羽的排列特征進行提取，設計出V 型葉片和圓弧型葉片，發現二者均有降噪效果，但V型葉片的降噪效果要優于圓弧型葉片[57]。對信鴿體表羽毛特性進行提取，應用于仿生葉片上，可以同時發揮減阻和降噪的效果[58]。

2.4 耦合仿生降噪結構

模仿鳥類翅膀前緣處的仿生結構和尾緣處的仿生結構均有明顯的降噪效果，在2.1和2.2小節中已經得到了詳細的介紹。

為得到降噪效果更好的結構，許多學者模仿各種鳥類的翅膀特征構造，例如：鋸齒狀前緣結構、波浪形前緣結構、正弦狀前緣結構、鋸齒狀尾緣結構和表面條紋結構等，在進行單一降噪結構的研究后，將前緣結構、尾緣結構以及表面結構進行相互組合，得出耦合仿生降噪結構，其降噪效果往往比單一降噪結構的降噪效果更好。

前緣圓齒狀結構和尾緣鋸齒狀結構都有其各自的降噪效果，將二者進行耦合得到的結構，其降噪效果更加顯著，大致可將噪聲降低6dB[13]。將前緣波浪形結構和尾緣鋸齒形結構耦合后的結構應用到風機葉片上，可以有效地降低葉片表面的壓力脈動和尾緣旋渦的脫落頻率，從而降低氣動噪聲[59]。

正弦狀前緣和條紋結構耦合后的新型結構對風機葉片邊界層進行了有效的抑制和修正，減弱了湍流猝發強度，降低了葉片表面紊流附面層的壓力脈動強度，有效延遲了附面層分離以及尾渦脫落，降噪效果顯著[54]。

將表面條紋結構和尾緣鋸齒結構進行耦合是現有對鳥類翅膀降噪特征進行耦合十分常見的一種類型，其對器械的降噪效果已得到驗證[60-61]。

將結構應用于對旋風機上發現，表面肋條結構能夠有效的減弱吸力面和壓力面的壓力梯度，使流場流線更加均勻，而尾緣鋸齒結構能夠減小尾緣渦的脫落，二者共同作用，能夠達到顯著的降噪效果[62]。

長耳鵠是仿鳥類翅膀降噪中常見的生物，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]。將長耳鵠40%位置處的線型和正弦形尾緣鋸齒結構相耦合應用到軸流風機葉片上，能夠降低中低頻范圍內葉片的寬頻噪聲和離散噪聲，葉片線型的改變使氣流對葉片前緣的沖擊性減小，減弱葉頂間隙處的泄漏渦強度，進一步降低整體的聲壓級[64]。將鋸齒狀尾緣和表面條紋結構耦合得到的鋸齒條紋結構，在高頻范圍內能夠有效降低氣動噪聲[65]。

3 結論

鳥類翅膀在自然進化過程中形成的生物結構，有利于靜音飛行，這對人類社會的進步起到推動作用。通過對鳥類翅膀生物特征的詳細觀察和研究發現，其翅膀前端的非光滑前緣結構能夠延遲附面層分離，降低壓力脈動，同時能夠減小分離渦的面積；翅膀尾緣的鋸齒結構可以降低展向方向上渦的相關程度；表面的覆羽結構能夠發揮整合氣流的作用，使氣流流動趨于平緩。將生物結構應用于實際發現，三種不同位置處的仿生結構都能發揮顯著的降噪效果。

4 展望

仿生結構的降噪性目前已經得到廣泛認可。但對仿生結構的作用機理和影響因素還沒有得出明確統一的認識。仿生降噪涉及的因素眾多，大多只考慮了單一變量的影響，對于已得出結論的影響因素，而降噪機制是多種因素協同作用的結果，采用單一變量得出的結果與實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，進行深入研究。Howe[66-67]對于降噪理論的預測與實驗結果[33,68-69]并不一致，與理論相反，寬鋸齒的降噪效果更加顯著，現有的研究與之前的研究在結論上存在不一致性，這也是對仿生降噪原理認識不全面的一個表現。

對耦合仿生降噪結構的研究，目前還處于基礎探索階段，對于多種結構的耦合，多數情況下是學者隨機選擇的，并沒有科學依據和研究，也不是總發揮積極作用。單一凹坑結構和單一鋸齒結構均能發揮很好的降噪作用，但將二者進行耦合，效果卻不如預期[46,70]?，F階段耦合降噪結構方面的進展，也只能為今后的研究提供參考和借鑒，結論還不能普遍應用，只能降低后續研究的試錯成本和時間代價。

利用仿生降噪結構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，而現有的研究中，對這種手段的利用并不多見，這也可以作為今后研究的一個方向。當下加快針對各種情況下適用的仿生降噪結構研究，是我們響應國家政策和亟待解決的重要問題。