无声滑翔的猫头鹰

李忠东

猫头鹰飞行时悄然无声

静音飞行技高一筹

猫头鹰的头面部宽大，嘴短而粗壮，前端成钩状，头部正面的羽毛排列成面盘，部分种类具有耳状羽毛。双目的分布、面盘和耳羽，使它们的头部与猫极其相似，故俗称“猫头鹰”，别名“神猫鹰”。其中，毛腿渔鸮和雕鸮是最大的猫头鹰品种，它们的翅展可达2米。令人难以置信的是，猫头鹰在空中滑翔时竟然没有声音，即使从你身旁飞过，你也只能听到轻微的“嗖嗖”声。

鸟类专家特瑞西·尼克松回忆称，几年前一个寂静的夜晚，她在走廊上与一只猫头鹰不期而遇。在猫头鹰用翅膀拍打到自己之前，特瑞西竟没有丝毫感觉，这种经历让她至今难以忘怀。猫头鹰多以具备敏锐听觉的田鼠和老鼠为食，它能在黑夜里以非常快的速度无声地进行俯冲，精准地捕捉到这些猎物。它们可以将绝大部分的飞行噪声控制在1600赫兹以下的低频范围，而其猎物的听觉只对频率在2000赫兹以上的声音敏感。

猫头鹰是猛禽中飞行噪声最小的。长期以来，猫头鹰的无声飛行吸引了许多鸟类学者，因为没有其他任何一种鸟拥有这种能力。英国南安普敦大学航空和航天学荣誉退休教授杰弗里·里尔利，是研究猫头鹰无声飞行及其在航空工业领域的潜在应用的先驱者，他现在供职于弗吉尼亚的美国宇航局兰利研究中心，主要从事静音航空器技术项目的研究。

这位科学家通过研究发现，大多数鸟类在飞行时，羽毛拍打空气会发出“嗖嗖”的声音，其中大部分都能被捕猎的动物听见。而夜行猫头鹰是一个例外，独特的羽毛排列使它们成为世界上最安静的飞行鸟类，对于它们的猎物来说有时甚至是无声的。

在猫头鹰的翅膀上，特别是在飞羽的前端，有着一层凸起的梳状结构。这些凸起物可以在飞行中产生极为细小的涡流，帮助理顺流经猫头鹰翅膀的气流，让气流不易分离。气流不易分离便不容易产生湍流，噪音水平自然就更低。在猫头鹰翅膀的后缘，还有一些非常柔软细长的小刷子一样的软毛，这些软毛可以在翅膀的后端再次梳理气流，让气流始终以比较规律的方式流经它的翅膀。

有趣的是，风洞测试和理论计算证明，猫头鹰翅膀的梳状结构和小刷子一样的软毛，往往在大迎角飞行时的降噪效果最好。因此处于大迎角的飞行状态，对于猫头鹰来讲极为重要。猫头鹰翅膀的深层还隐藏着独特的降噪秘密——它们的翅膀下层分布着极为蓬松的软毛，这些软毛可以吸收飞行时产生的噪声，这与采用多孔材料来降噪是同一个道理。通过这种机制，与其他猛禽相比，猫头鹰飞行的噪声可以降低2到3个分贝。

另外，猫头鹰体表羽毛的多级分叉结构，包括绒毛末级分叉的“竹节”结构，也在气动噪声能量耗散方面发挥着重要作用。它们的翅膀和尾部的羽毛具有特别的力学特性，弹性模量较大，不易变形，能够用于调整和保持飞行姿态，并获得最大升力。而身体其他部位的绒毛因弹性模量较小，较为柔软，在飞行过程中受到气流冲击时，可以通过变形来吸收噪声能量。

鸟类学家认为，由于无声的飞行，夜行猫头鹰的听力异常灵敏。它们的两只耳朵在头骨上的位置不对称，其中一只比另一只更高、更向前一些，且两只耳朵的形状也有微小的差别。这种不对称使得猫头鹰通过两只耳朵听到的声音也有细微的不同，这就使它们能更加准确地确定声音的来源。

猫头鹰的翅膀（左下图为前缘梳，右下图是后缘边缘）

让飞机飞得更安静

从诞生之初，飞机就伴随着噪声，在低空起降过程中产生的噪声尤为强烈。而由直升机旋翼的空气动力桨叶拍击空气产生的噪声，在夜晚和温度较低的环境里非常突显。对于即将降落的飞机来说，很大一部分噪声不是出自发动机，而是源于飞机周围的气流。特别是在空气湍流冲过机翼后缘时，更会产生沉闷的轰鸣声。为了解决飞机带来的强烈噪声，人们将目光投向了猫头鹰。

猫头鹰静音飞行是多个降噪因素综合产生的总体效应。猫头鹰的翅膀翼型和初级飞羽的形态结构，发挥着消声降噪的作用。而大量分布在猫头鹰身体其他部位的绒毛的形态结构，以及猫头鹰的皮肤和皮下结构，起到了吸声降噪的效果。

美国利哈伊大学机械工程与力学系贾斯汀·贾沃斯基团队对不同鸟类产生的噪声水平进行了详细比较，然后从微观细节分析猫头鹰如何实现无声飞行。贾斯汀表示：“猫头鹰的无声飞行已经有2000万年的历史，而我们到现在才发现它们抑制翅膀发出‘嗖嗖噪声的机制。我们希望能利用这个原理，在未来20年中制造出低噪声的飞机，在未来20到50年内制造出更加静音的飞机。”

该团队在实验室的测量结果表明，一种名叫“仓鸮”的猫头鹰在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1米左右的距离时才能听到轻微的“嗖嗖”声。仓鸮的面相是一个呆萌的心形，有时还会眯眼“微笑”，这与它“硬核”的性格形成反差。它们最著名的行为就是能够快速有力却毫无声响地飞行，但叫声却非常尖利刺耳——甚至可以瞬间使猎物陷于极度恐慌之中。

为了设计出更低噪声的风扇、涡轮叶片和飞机机翼，研究人员计划用数学方法计算出如何使机翼的后缘不再那么坚硬，更多孔且更具柔韧性，以此来减少噪声。这些计算结果得到了风洞实验的支持，各种多孔材料的确降低了噪声。德国勃兰登堡理工大学的托马斯·盖尔研究发现，像猫头鹰翅膀一般大小的多孔弹性机翼可以比普通机翼减少2～5分贝的噪声。不过托马斯表示，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。

仓鸮飞行时激起的气流声低于人类的听觉阈值

抑制噪声初见成效

2011年5月1日夜间，美军执行了猎杀本·拉登的军事行动。行动中配备的两架直升机引起了人们的好奇。传统直升机桨翼发出的噪声很大，一般在很远的距离就能被发现。而这一次，居住在附近的居民却称，他们一开始并没有听到直升机飞行的声音，直到距离很近才有所察觉。

原来，在此次军事行动中执行任务的两架直升机的旋翼，模仿了夜行猫头鹰翅膀消音的原理，分别在旋翼前缘添加凸起结构、在后缘添加锯齿状结构，因此获得了良好的降噪效果。同时，猫头鹰翅膀的锯齿状结构还被应用在了航空发动机的机箱上，改变了大多数管口的常规平滑边缘，限制了引擎下行气流的噪声，让飞行器更加安静，同时还提高了飞行效率。

著名风力涡轮机制造商——德国西门子风电公司，一直在关注并设法降低涡轮机的噪声，因为只有近乎无声的工作，才能使它们在人口稠密地区运行时被人们所接受。该制造商发现，采用猫头鹰翅膀的梳状构造可以极大地减少风力涡轮机叶片转动时产生的气动噪声，避免扰民。最近推出的西门子第二代Dino Tail涡轮机十分引人注目，其设计灵感直接来自猫头鹰翅膀。

德国西门子风电公司气动声学领域的主要专家斯蒂芬·乌利曼斯对此评价道：“聪明的猫头鹰一直都在做正确的事，高水平的仿生学似乎是推进航空技术发展和有效捕获风能的好方法。第二代Dino Tail涡轮机的结构不会影响空气动力学性能，葉片前部的涡流发生器与每个叶片后缘上的锯齿和梳齿组合相结合。由于在叶片轮廓上方的快速气流与来自叶片轮廓下方的较慢气流相遇处产生精细的涡流，因此叶片后缘的空气动力噪声能够显著降低。改进的气动声学性能使风力涡轮机发出的噪声微乎其微，可以任意放置在人口稠密地区。”

西门子推出低噪声风力涡轮机叶片，其灵感来自猫头鹰的无声飞行