典型鸮静音飞行特征规律与机理研究

鸮类以啮齿类动物为食，为了捕捉猎物，具备"静音"飞行的能力。这种静音飞行能力，是经过漫长的进化，由其羽毛的特殊结构产生的。目前已发现鸮存在4种特殊的羽毛结构：翅膀前缘梳子齿形结构；后缘刘海状结构；翅膀下面次级飞羽流苏状结构；鸮体表茂密的绒羽结构。独特的羽毛结构产生了降噪效应，使其能够静音飞行。目前鸮的静音飞行机理尚未研究清楚，其原因是鸮的飞行-噪声特性没有得到精确解析；鸮特殊的羽毛结构未进行多因素综合研究。本项目运用生物运动实时捕捉分析方法，确定鸮飞行状态参数，通过同步噪声测量技术，研究鸮的飞行- - 噪声特性，获得鸮飞行- - 噪声的内在特征规律；运用仿真技术及风洞流场可视化方法，研究鸮羽毛多因素飞行降噪特性；分析仿真与风洞试验数据，确定鸮羽毛特征参数与飞行噪声之间的内在关系，揭示鸮静音飞行的机理。本项目的研究，可以破解鸮"静音飞行"的密码，并获得"静音飞行" 的自主知识产权。

降噪可以改善环境舒适性，较低的噪声水平也是汽车、高铁等产品品质的重要指标；降噪对于无人机、潜艇等还具有特殊的军事意义，可以增加隐蔽性提高作战性能。已有研究表明，鸮的飞行噪声低与鸮的特殊羽毛形态、翅膀翼型参数及飞行方式有关。以鸮和雀鹰等作为试样样本，研究了鸮目鸟与非鸮目鸟的羽毛结构、翅膀翼型、飞行参数及飞行噪声，初步揭示了鸮目鸟飞行降噪机理。同时运用鸮的降噪原理进行了风机叶片降噪特性扩展研究。.长耳鸮与雀鹰都是在翅膀前缘处的厚度最大，沿展向长耳鸮最大厚度比雀鹰更早向前缘靠近，雀鹰最大厚度与前缘距离比长耳鸮更小。长耳鸮翅膀从展向50%开始最大弯度位置逐渐向翅膀后缘靠近，而雀鹰最大弯度位置基本处于翅膀中间。雕鸮翼尖运动轨迹的连续性变化，使通过翼尖的气流形成了涡旋结构，流体的运动为连续状态，减小了气流之间以及气流与翼尖的不定常流动。雀鹰翼尖运动轨迹呈非连续变化，临近极点时骤停，随后开始反向运动。固定扑翼运动产生的噪声高于扑翼飞行，长耳鸮进行固定扑翼运动明显增加了低频噪声，而对于高频噪声影响不大。但雀鹰进行固定扑翼运动不但增加了低频噪声，同时增加了高频噪声。翅膀边缘的梳子齿结构可降噪，其噪声随梳子齿展向夹角的增大而下降；梳子齿夹角和高度一定时，噪声随齿宽增加而下降；梳子齿夹角为30°、宽和高为1mm时，取得最佳降噪效果。长耳鸮翅膀只有翅膀根部后缘易发生边界层分离，而雀鹰靠近翅膀根部的整个表面均易发生分离。雀鹰翅膀展向翼型相差较小，从翅根到翼尖，翼型厚度与弯度缓慢减小，各截面翼型表面分离方式较一致，展向分离强度不发生突变。雀鹰40%翼型的升阻特性最好，其次是长耳鸮40%翼型和雀鹰翅膀，长耳鸮翅膀升阻特性相对较差，但在0°攻角附近阻力系数很小，因而长耳鸮滑翔效率较高。长耳鸮、雀鹰及其40%截面翼型的噪声在50Hz以及650Hz 两频段出现峰值。在攻角为20°时，雀鹰翅膀翼型及两种40%截面翼型噪声值达80-85dB，而长耳鸮翅膀翼型噪声则大幅降至67 dB。运用鸮的降噪原理设计了仿生叶片，试验结果表明，仿生叶片在降低噪声的同时气动效率也有所提高。