谭竞男 王存岩 汪龙腾 牟晓蕾
（烟台大学土木工程学院）
为适应复杂的自然环境，许多生物不断调整自身结构，形成了适应自然的最优形态。通过模仿生物的形态构造来突破人们在结构和设计方面的局限性是仿生学的最初目的。经过几十年的发展，仿生学应用广泛，例如：通过对座头鲸的歌声进行分析，开展水下隐蔽通信的隐蔽水下通信技术[1]；
通过对蚱蜢视觉系统、目标障碍物识别以及识别后图像处理等技术进行研究后，制造出可代替部分人工进行探测和定位工作的仿生机器人[2]；
通过模仿鱼类的线型对离心风机进行改进，得到了全面提升了风机的工作性能[3]；
仿鹄类尾缘锯齿状结构降低风机叶片气动噪声的旋转机械降噪[4-5]等诸多方面。
随着国家关于噪声污染防治报告的发布[6]，减少声污染受到越来越多的关注。如图1所示，长耳鸮能够在夜间静音捕食，其翅膀前缘非光滑结构能够延缓和降低气流分离，尾缘的锯齿结构能够减小气流扰动，翅膀表面的条纹结构能够对气流起到梳理作用，使紊流向层流方向发展，这几种特性使长耳鸮捕食飞行过程中声音更小；
猫头鹰被称为静音飞行者，其翅膀羽毛呈梳状分布，羽毛根部呈锯齿状分布，这种生物结构大大降低了其在飞行过程中的声音[7-10]，以此为依据，人们开展了关于猫头鹰的仿生降噪结构研究。将猫头鹰的降噪特征应用于机械叶片达到降噪效果，是现阶段常见的应用之一。
图1 长耳鸮翅膀简化结构图Fig.1 Simplified structure of wings of long eared owl
大多数旋转机械噪声的来源主要分为三类：分别为单极子声源、偶极子声源和四极子声源，而声源主要与机械的叶片厚度、湍流应力以及相关部件气动力等叶片构造有关。研究发现模仿生物结构和形态是人们突破瓶颈的有效方法。
仿生降噪的研究方法有两种，分别是实验研究和数值模拟[11]，其中实验方法以常见的风洞实验为主；
模拟研究的主要方法有脱体涡模拟法、大涡模拟法、声类比法、热膜阵列技术和平面传声器阵列法等，并借助Ffowcs Williams-Hawkings 方程（简称FW-H 方程）进行详细的研究。下面从鸟类的仿生降噪结构的降噪效果进行详细介绍。
对鸟类翅膀仿生降噪结构的研究大致可分为三类：分别为在翼型前缘处添加仿生结构，例如：波浪形前缘结构、正弦波形前缘结构、锯齿形前缘结构等；
在尾缘处添加仿生结构，例如：锯齿形尾缘结构、凹凸形尾缘结构等；
耦合仿生结构即将两种或两种以上的仿生降噪结构类型进行组合得到新型结构。同一类型的结构，其降噪效果因结构尺寸和结构形状等因素的差异而不同。
2.1 前缘处的仿生降噪结构
前缘结构的降噪性在研究鸟类翅膀降噪性时得到了证实。前缘处的仿生降噪结构种类众多，例如：按比例添加前缘小翼、添加前缘锯齿结构、凹凸结构、多孔结构等。下面就不同因素对降噪效果的影响展开详细介绍。
2.1.1 结构形状对噪声的影响
噪声的产生涉及因素众多，形状不同势必会对流体的流动过程产生巨大影响。常见的前缘降噪结构形状有：波浪状、刨根波齿状、圆弧齿状、锯齿状等，如图2所示，下面就不同形状的降噪效果展开详细分析。
图2 不同形状的前缘结构Fig.2 Leading edge structures of different shapes
前缘圆弧齿状结构具有整流和控制气流分离的特性，对因翼型表面气流压力脉动及涡流脱离引发的气动噪声有明显的抑制作用[12]，在接下来关于前缘圆弧齿状结构的研究中，也进一步验证了它的降噪效果[13]。刨根波齿状前缘加快了叶片表面的流体流动速度，将大尺度涡破碎成小尺度涡，降低了叶片表面的压力脉动，总声压级最多可降低9dB[14]。在翼型前缘吸力面附加微小翼型可以提高翼型抵抗流动分离的能力，在大攻角下，可以将失速攻角从16°延迟至22°，噪声声压级最大减小约7.23%，降噪效果显著[15]。
波浪形前缘的降噪效果也十分显著，当来流为各向异性的湍流时，波浪形前缘能够有效降低叶片的干涉噪声，在不改变噪声指向性的前提下，最大降噪量可达3.4dB[16]，波浪形前缘的降噪效果也在其他叶片上得到了证实[17]。正弦波形前缘能够改变翼型流场和涡脱落结构，起到抑制窄带尖峰噪声的作用[18]。
将锯齿状前缘应用于翼型或飞行器上，通过改变翅翼周围的流场状态，改变前缘、后缘以及翅翼表面的压力脉动强度，从而降低气动噪声[19]。该结构也能够引起沿正弦超前方向噪声源之间的相消干扰，从而达到降噪效果；
前缘双波锯齿结构是将两个单波锯齿结构叠加而成，它能够通过相消干扰实现比单锯齿结构更好的降噪效果[20]。多孔状前缘结构是在锯齿状前缘的基础上，在齿间添加了多孔材料，通过抑制表面压力波动来衰减噪声，比锯齿状前缘的降噪效果更好[21]。综上所述，各形状的前缘结构在各自的应用情况下，对噪声均有一定程度的抑制，能够达到降低噪声的效果。
2.1.2 结构尺寸对噪声的影响
噪声的产生和变化作用机制复杂，除结构形状会严重影响流体流动外，结构尺寸的影响也不可忽视，并有研究证实了这一结论[22-23]。结构尺寸主要指宽度、高度和宽高比等，如图3（c）所示，L代表高度，b代表宽度，宽高比即为b/L，其中宽度又称为周期，高度又称为幅值，宽高比称为周期与幅值的比值。
图3 不同尺寸的前缘结构Fig.3 Leading edge structures of different sizes
波浪形前缘对干涉噪声的抑制作用已被多方证实[16-17]，将波浪形前缘应用在风机叶片上，结果发现，前缘峰值振幅与纵向振幅之比是抑制干涉噪声的重要因素。当振幅与入射风波长的比值大致为0.3时，对干涉噪声的抑制可达80%[24]。更有研究表明，波浪形前缘的幅值和幅值与周期比值与降噪量呈正相关；
总声压级的降噪量随波浪前缘的周期的减小而增大，当周期大于10%弦长时，相关性变小，当周期小于10%弦长时，相关性迅速增大[25]。
前缘锯齿结构的降噪效果在2.1.1小节中已有详细介绍。有研究表明，前缘锯齿结构的降噪效果对锯齿振幅和锯齿波长较为敏感，振幅越大，波长越小的前缘锯齿结构，其降噪效果越好[26]。
正弦波形前缘结构的降噪量随相对振幅的增大而减小，随相对波长的减小而减小（相对振幅指波形振幅和弦长的比值，相对波长指波长和弦长的比值，振幅即幅值，弦长指翼型前端至翼型后端的长度，波长指一个周期中波线的长度）[18]，通过降噪效果的变化，得出结构的详细相关尺寸变化对降噪效果产生巨大影响的结论。
2.2 尾缘处的仿生降噪结构
尾缘处的仿生降噪结构有圆弧状尾缘、四边状尾缘、锯齿状尾缘等多种类型，如图4 所示。现有的研究以锯齿状尾缘居多，下面以锯齿状尾缘为例，讨论结构形状、结构尺寸等因素对降噪效果的影响。
图4 不同形状的尾缘结构Fig.4 Trailing edge structures of different shapes
2.2.1 结构形状对降噪效果的影响
关于结构形状的影响，本文主要针对现有研究较多的传统形锯齿尾缘、倾斜形锯齿尾缘和多孔材料形锯齿尾缘进行介绍。传统形锯齿尾缘是将带有锯齿形状的结构替代原有的直尾缘结构，在此基础上研究结构的降噪效果。近些年不断有学者证实了传统形锯齿的降噪效果[17,27,28]，将锯齿结构应用于风机叶片上，结果表明：锯齿结构能明显改变风机叶片表面边界层的气流状态，具有降噪效果[29-31]。将锯齿结构应用于泵叶片上的降噪效果也得到了验证[32]。
锯齿结构有抑制流动分离和降低入射T-S 波放大程度的能力，能够降低钝尾缘脱落涡的展向相关性，在不改变噪声指向性的前提下，传统锯齿结构对窄带噪声的降低量，最多可达13dB[33]；
并能够加宽尾迹区域，加快大涡的破碎，形成规则的马蹄涡，使湍流脉动衰减率沿流动方向变大，从而达到噪声明显减小的效果[34]。
针对单独微变叶片，在低湍流来流情况下，锯齿尾缘的降噪量最多可达14dB，明显减小了尾缘附近不稳定扰动波的幅值，对不稳定单音噪声的抑制效果十分显著。针对大转折角，尾缘锯齿同样能够发挥作用，另外还可以减少或消除下游的大尺度展向脱落涡，从而起到降噪作用[35]。
1）锯齿尾缘能够改变各截面尾迹涡的脱落位置，增大涡心之间的距离，减小了压力脉动从而发挥降低气动噪声的作用[36]。
2）尾缘锯齿结构可以降低叶片表面的压力脉动幅值，将展向相关尺度较大的涡破碎成展向相关尺度较小的涡并消除尾缘脱落涡[37]。
3）将尾缘锯齿结构添加到翼型上发现，锯齿尾缘能够明显降低中低频范围内的噪声，通过抑制涡脱落，降低压力脉动减弱尾缘处的低频湍流脉动与涡量，降低尾缘附近涡的展向相关性来实现降低翼型自噪声的效果[38]。
4）锯齿尾缘能够降低尾缘噪声，在较大范围内都可以起到降噪效果，降噪量最多可达到10dB[39]。
传统形尾缘锯齿结构的降噪效果已经得到了验证，近些年许多专家学者不断创新，发现了一些降噪效果更好的结构，倾斜形尾缘锯齿结构和多孔材料形尾缘锯齿结构就是其中的两种代表。倾斜形尾缘锯齿结构就是在传统锯齿结构的基础上给锯齿赋予一定的倾斜角度，来探究其降噪效果，图5 为三维倾斜形锯齿示意图。
图5 倾斜形锯齿结构Fig.5 Oblique serrated structure
结果发现，在大攻角范围内（12°～18°），叶片噪声的最大降噪量可达17.1dB，在小攻角范围内，对中频范围的“驼峰”现象有明显的抑制作用。当倾斜角为30°时，锯齿叶片消除了声压频谱的驼峰窄带峰，降低整体噪声[40]。将倾斜形锯齿尾缘应用于轴流风机上也验证了倾斜角为30°时的最佳效果[41]。在小攻角下，倾斜形锯齿结构的存在增大了尾缘处得射流阻力，在保持传统锯齿结构降噪效果的同时降低了窄带尖峰[42]。
图6 为多孔形锯齿结构与传统形锯齿结构的对比图。多孔形尾缘锯齿结构是在传统形尾缘锯齿结构的基础上，在齿间添加不同流阻的多孔材料或覆盖筛网代替多孔材料[43]，期望提升降噪效果。
图6 多孔形锯齿结构与传统形锯齿结构对比图Fig.6 Comparison of porous serrated tooth structure with traditional serrated tooth structure
多孔材料的降噪机理是通过上下面压力差驱动充足气流穿过多孔区域，形成微射流，对分离块进行破坏，从而衰减叶片表面的气动荷载波动，达到降低气动噪声的效果[44]。多孔材料在高频下对降低宽带噪声效果明显。当最佳流阻率确定时，可以完全抑制涡流脱落音，进一步降低宽带噪声，结果证明降噪效果与流阻率明显相关[45-46]。高流阻材料的整体噪声声压级随材料长度的增加呈先降低后增加的趋势，低流阻材料的整体噪声声压级随材料长度的增加而降低[47]。
2.2.2 结构尺寸对降噪效果的影响
与前缘处的仿生降噪结构相同，尾缘处的仿生降噪结构也会受到结构尺寸的影响。这里的尺寸主要指锯齿的长度、周期、宽高比。就锯齿长度而言，当锯齿的长度达到临界值时（H/c＞0.001260U～0.005558，H代表锯齿高度，c代表叶片弦长，U代表来流速度,上式可作为噪声增加区域和噪声降低区域的分界），会达到明显的降噪效果，随气流速度的增加会有一个随之变化的极限值，当达到极限值后，降噪量将不再随锯齿长度的增加而增加[25]。
锯齿的高度对降噪效果也有影响，随齿高的增加，降噪效果呈先增加后减小的趋势[48]。尾迹区的湍流强度随相对齿高的增加而变小，变紊乱，使湍流与叶片尾迹的相互干涉作用降低，从而降低气动噪声[49]。
相同宽高比但齿数不同的锯齿结构，其气动噪声水平与齿数呈正相关，而相同齿数不同宽高比的锯齿结构，其气动噪声水平与宽高比也呈正相关[50]。随宽高比的增大，涡的展向相关尺度减小，窄带噪声的幅值也不断降低[51]。
更有研究发现，降噪效果与锯齿齿角有着明显相关性，随锯齿齿角的增加，降噪效果也呈上升趋势[52-53]，而锯齿周期的作用机理复杂，不能通过简单实验或数值模拟得出结论，还需进一步研究。
2.3 表面处的仿生降噪结构
鸟类翅膀表面的覆羽结构在静音飞行中发挥着至关重要的作用。长耳鸮翅膀的沟槽结构也称为条纹结构，能够起到导流作用，使气流趋于稳定发展，降低紊流附面层压力脉动强度，有效延迟附面层分离[54]。覆羽结构的降噪效果在不同种鸟类的身上都得到了验证[55-56]。
通过对雀鹰和长耳鸮翅膀覆羽的排列特征进行提取，设计出V 型叶片和圆弧型叶片，发现二者均有降噪效果，但V型叶片的降噪效果要优于圆弧型叶片[57]。对信鸽体表羽毛特性进行提取，应用于仿生叶片上，可以同时发挥减阻和降噪的效果[58]。
2.4 耦合仿生降噪结构
模仿鸟类翅膀前缘处的仿生结构和尾缘处的仿生结构均有明显的降噪效果，在2.1和2.2小节中已经得到了详细的介绍。
为得到降噪效果更好的结构，许多学者模仿各种鸟类的翅膀特征构造，例如：锯齿状前缘结构、波浪形前缘结构、正弦状前缘结构、锯齿状尾缘结构和表面条纹结构等，在进行单一降噪结构的研究后，将前缘结构、尾缘结构以及表面结构进行相互组合，得出耦合仿生降噪结构，其降噪效果往往比单一降噪结构的降噪效果更好。
前缘圆齿状结构和尾缘锯齿状结构都有其各自的降噪效果，将二者进行耦合得到的结构，其降噪效果更加显著，大致可将噪声降低6dB[13]。将前缘波浪形结构和尾缘锯齿形结构耦合后的结构应用到风机叶片上，可以有效地降低叶片表面的压力脉动和尾缘旋涡的脱落频率，从而降低气动噪声[59]。
正弦状前缘和条纹结构耦合后的新型结构对风机叶片边界层进行了有效的抑制和修正，减弱了湍流猝发强度，降低了叶片表面紊流附面层的压力脉动强度，有效延迟了附面层分离以及尾涡脱落，降噪效果显著[54]。
将表面条纹结构和尾缘锯齿结构进行耦合是现有对鸟类翅膀降噪特征进行耦合十分常见的一种类型，其对器械的降噪效果已得到验证[60-61]。
将结构应用于对旋风机上发现，表面肋条结构能够有效的减弱吸力面和压力面的压力梯度，使流场流线更加均匀，而尾缘锯齿结构能够减小尾缘涡的脱落，二者共同作用，能够达到显著的降噪效果[62]。
长耳鹄是仿鸟类翅膀降噪中常见的生物，它的翅膀，尤其是40%位置处的线型弧度的降噪效果尤为显著[56,63]。将长耳鹄40%位置处的线型和正弦形尾缘锯齿结构相耦合应用到轴流风机叶片上，能够降低中低频范围内叶片的宽频噪声和离散噪声，叶片线型的改变使气流对叶片前缘的冲击性减小，减弱叶顶间隙处的泄漏涡强度，进一步降低整体的声压级[64]。将锯齿状尾缘和表面条纹结构耦合得到的锯齿条纹结构，在高频范围内能够有效降低气动噪声[65]。
鸟类翅膀在自然进化过程中形成的生物结构，有利于静音飞行，这对人类社会的进步起到推动作用。通过对鸟类翅膀生物特征的详细观察和研究发现，其翅膀前端的非光滑前缘结构能够延迟附面层分离，降低压力脉动，同时能够减小分离涡的面积；
翅膀尾缘的锯齿结构可以降低展向方向上涡的相关程度；
表面的覆羽结构能够发挥整合气流的作用，使气流流动趋于平缓。将生物结构应用于实际发现，三种不同位置处的仿生结构都能发挥显著的降噪效果。
仿生结构的降噪性目前已经得到广泛认可。但对仿生结构的作用机理和影响因素还没有得出明确统一的认识。仿生降噪涉及的因素众多，大多只考虑了单一变量的影响，对于已得出结论的影响因素，而降噪机制是多种因素协同作用的结果，采用单一变量得出的结果与实际可能并不完全相符，这需要我们综合考虑多种因素的影响，进行深入研究。Howe[66-67]对于降噪理论的预测与实验结果[33,68-69]并不一致，与理论相反，宽锯齿的降噪效果更加显著，现有的研究与之前的研究在结论上存在不一致性，这也是对仿生降噪原理认识不全面的一个表现。
对耦合仿生降噪结构的研究，目前还处于基础探索阶段，对于多种结构的耦合，多数情况下是学者随机选择的，并没有科学依据和研究，也不是总发挥积极作用。单一凹坑结构和单一锯齿结构均能发挥很好的降噪作用，但将二者进行耦合，效果却不如预期[46,70]。现阶段耦合降噪结构方面的进展，也只能为今后的研究提供参考和借鉴，结论还不能普遍应用，只能降低后续研究的试错成本和时间代价。
利用仿生降噪结构引起各噪声源之间的相消干扰是降低噪声的一种有效手段，而现有的研究中，对这种手段的利用并不多见，这也可以作为今后研究的一个方向。当下加快针对各种情况下适用的仿生降噪结构研究，是我们响应国家政策和亟待解决的重要问题。
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