科學家正在研究貓頭鷹的翅膀,讓飛機飛行沒有聲音

2020-12-05 專注太空新鮮事

沒有人確切地知道夜行動物是如何操縱他們柔和的翅膀飛行的,但它激發了設計更安靜的飛機風扇和風力渦輪機的靈感。

非常喜歡貓頭鷹的人都有一個他們第一次聽到貓頭鷹叫的故事——或者更確切地說,他們沒有聽到貓頭鷹叫。令人難忘的是看到一隻巨大的鳥,它的翼展可以達到6英尺多,在空中滑翔而過,甚至沒有一點聲音。

實驗室的測量結果顯示,穀倉貓頭鷹發出的輕微俯衝聲低於人類的聽覺閾值,直到貓頭鷹飛到大約三英尺遠的地方——這是一項生物學家和工程師們還遠遠不能完全理解的隱形壯舉。但這兩個學科的研究人員都在努力解開「無聲戰鬥」之謎——其中一些人的目標是設計出更安靜的風扇、渦輪葉片和風扇飛機機翼。

傑沃斯基和奈傑爾·皮克在《流體力學2020年度評論》的一篇綜述中寫道,這種受貓頭鷹啟發的創新可以減少多達10分貝的噪音,類似於一輛經過的卡車和一輛經過的汽車之間的噪音差別

首先,格雷厄姆(Graham)指出了一種不尋常的結構,稱為「梳子」,實際上看起來像是從機翼前緣向前伸出的梳子。其次,他指出,大多數貓頭鷹的翅膀都覆蓋著一層柔軟的天鵝絨般的羽毛。最後,他觀察到機翼後緣上的羽毛形成了參差不齊的流蘇。大多數研究人員仍然同意,梳子,天鵝絨和流蘇以某種方式結合以減少噪音。

為了說明貓頭鷹如何抑制噪音,首先將弄清楚噪音的來源。對於進入降落的飛機,很大一部分噪聲不是來自發動機,而是來自飛機周圍的空氣流動,特別是機翼後緣產生的聲音。掠過機翼裸露邊緣的湍流空氣轉化為飛機在頭頂飛過時聽到的沉悶吼聲。

研究人員訓練了一隻佛羅裡達橫斑貓頭鷹(Strix varia alleni)飛過一個特殊的錄音室。滑翔翼在人類聽覺範圍內產生的聲音非常小(人們可以聽到虛線以上的聲音)。貓頭鷹飛行時發出的低頻聲音,無論距離多遠都聽不見。當貓頭鷹在一到三米遠的地方飛行時,人類可以聽到中等頻率的飛行噪音。貓頭鷹的翅膀和羽毛特別擅長抑制高頻聲音,只有當一個人站在離噪音一米以內的時候才能聽到這種聲音。

減少這種噪音的一種方法是使機翼的後緣不那麼硬,更多孔且更具柔韌性。這可能是貓頭鷹翅膀參差不齊的邊緣的功能。Jaworski和Peake用數學方法計算了工程師如何使用這種孔隙率和彈性來減少噪音,以及如何量化減小的噪音。

這些計算得到風洞實驗的支持:各種多孔材料的確降低了噪聲。德國布蘭登堡理工大學的託馬斯·蓋爾(ThomasGeyer)的研究發現,像貓頭鷹一樣大小的多孔彈性翼比普通翼安靜約2至5分貝。但是,蓋耶爾說,正確的多孔材料至關重要。在風洞測試中,某些材料實際上增加了高頻噪聲。對飛行中的貓頭鷹的測量表明,它們的翅膀僅使高於1600赫茲的頻率靜音(在鋼琴上,中間C上方高兩個半音階)。由於這是齧齒動物聽力開始的大致範圍,因此貓頭鷹在覓食時會從抑制中受益最大

研究表明,貓頭鷹的機翼具有使其靜音飛行的三個特徵:「梳子」結構(僅在機翼的右上角可見),參差不齊的後緣(沿機翼的底部可見)和柔軟的材料覆蓋了大部分機翼的左上方。底部特寫顯示了來自其他標本的梳狀結構。「在一定的頻率範圍內,我們看到了10分貝的降噪。」「這聽起來可能並不多,但是在空氣聲學方面,工程師需要克服兩到三個分貝。十分貝是一半的噪音。對於任何技術來說,這都是巨大的變化。」

儘管貓頭鷹的機翼為航空工程的降噪提供了新的見解,但工程師們在描述貓頭鷹飛行的物理原理方面取得的成功較少。據鳥類學家克拉克說,工程師們甚至可能還沒有發現貓頭鷹航空中最重要的噪聲源。如果您要建造貓頭鷹而不是風力渦輪機或飛機,那麼您會發現一些區別。貓頭鷹有羽毛。飛機沒有。貓頭鷹拍打翅膀;飛機沒有。有一個很好的理由,就是航空工程師更喜歡固定的,堅固的機翼,而不是拍打著羽毛的機翼:它們更容易理解。

但是,如果您是生物學家,那麼忽略拍打就是忽略鳥類飛行中的基本要素,克拉克說。當鳥的翅膀拍打時,它們會改變形狀,而當它們的形狀改變時,羽毛會相互摩擦,從而產生噪音。固體與固體的接觸會產生摩擦噪音,而不是空氣動力噪音。

在克拉克看來,貓頭鷹的天鵝絨和流蘇的目的是減少拍動時羽毛之間的摩擦噪音。克拉克(Clark)承認,如果貓頭鷹在狩獵時滑行,他的論點將是沒有根據的,但是視頻證據表明它們並非如此:它們在起飛時會拍打,在降落時會拍打,甚至在「為獵物而鳴叫」時也會拍打。

科學家試圖了解貓頭鷹的飛行為何不同於其他鳥類的科學家研究了它們身後留下的湍流模式。紅色和藍色表示漩渦朝相反的方向旋轉。

而這些條紋不僅在機翼的後緣,根據空氣動力學理論,它們可以起到最大的降噪效果。條紋也存在於羽毛的前緣,在那裡它們不影響空氣動力噪聲,也存在於一些甚至沒有暴露在氣流中的羽毛上。這表明他們的目的不是為了空氣動力學。克拉克說,我們可能在反問這個問題。與其問貓頭鷹為什麼這麼安靜,不如問其他鳥類為什麼這麼吵。答案是羽毛。「天氣是令人驚奇的結構,這可能是鳥類如此成功的原因,」克拉克說。但它們也有進化上的代價:「如果你要用羽毛做翅膀,它們就會發出摩擦聲。」為了成為沉默的獵手,貓頭鷹進化出了特殊的適應能力來減少這種劣勢。

貓頭鷹並不是唯一一種解決了這個問題的鳥類。澳大利亞的一些蛙嘴動物也獨立地進化出了同樣的適應能力。這些鳥也是食肉動物,它們的翅膀柔軟而蓬鬆,有梳子和參差不齊的流蘇。克拉克說:「進化常常走一條古怪的道路。」「有一種方法可以讓你找到潛在的機械原理,並把它們與怪癖區分開,那就是趨同進化。」當兩個不相關的動物具有相同的適應能力時,這表明該特徵會帶來好處——在這種情況下,就是隱身

目前,有兩種理解貓頭鷹飛行的方法:一種是通過流體運動方程式和風洞實驗方程獲得的工程視圖,另一種是基於解剖,行為和基因組學的生物學視圖。一個真正整合的故事可能需要兩者。甚至工程師也意識到,基於剛性,無羽翼的理想研究還不夠。貓頭鷹很可能會主動而不是被動地使用其羽毛和機翼的小形狀調整來操縱氣流。工程師甚至還不了解這個過程,這個過程涵蓋了多個尺寸範圍,從羽毛的倒鉤到單個羽毛,再到整個機翼。

總結:在科學家爭論的同時,穀倉貓頭鷹會像往常一樣繼續飛行:它的臉像月亮一樣圓潤,不動搖,耳朵在下一次進餐時受過訓練,羽毛輕柔地踩在空中。

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