貓頭鷹和風力機的“秘密”_風聞

風力機噪聲問題突出

隨着“30碳達峯，60碳中和”目標的提出，風能作為可再生能源重要組成部分，近些年大力發展致使風電場的選址將會越來越靠近居民區。然而，風力機旋轉過程中會發出獨特的嗖嗖聲，噪聲的週期性變化會使人非常的不安。特別較低頻率的噪聲，因為大氣不能很好地吸收衰減噪聲，尤其在夜間，聲音向下折射使人們在較遠地方能夠聽到風力機噪聲。據報道風力機噪聲對心理產生嚴重的負面影響並且會降低睡眠質量，導致近些年關於風電擾民的報告頻繁出現。

風力機（圖片來自網絡）

一台兆瓦級的風力機進行聲源定位發現其主要的噪聲源是由風力機葉片旋轉所產生的，且主要集中在靠近葉尖側的位置（顏色越深噪聲越大）。葉片旋轉所產生的氣動噪聲主要是來流湍流噪聲和葉片自噪聲，這兩個噪聲都是由於來流湍流與風電葉片表面相互作用所產生的。以一台兆瓦級別的風電機組為例，其葉片旋轉產生的噪聲可高達105分貝左右，與除草機發出的噪聲相當。當傳播到下游300m的距離處，才能夠達到國家所規定的居住標準（白天55分貝，夜晚45分貝）。

風力機噪聲聲源定位（圖片來源：參考文獻1）

風力機噪聲大小（圖片來自網絡）

基於仿生學的降噪研究

仿生學研究生物系統的結構、功能和工作原理，並試圖將這些自然界中發現的概念來創造新的工程技術，並以此來發明一些設備來幫助解決實際的一些工程問題。很多仿生學的案例早已經在我們的生活得到了應用：通過蝙蝠的聲波定位原理人們發明了雷達，受魚鰭的啓發人們發明了船槳，通過鯊魚皮表面發明了減阻泳衣等等。

鑑於風電機組在實際運行過程中存在的噪聲問題，近些年基於仿生學的一些降噪方法相繼出現。眾所周知，許多種類的貓頭鷹具有獨特的無聲飛行能力，這歸因於它們獨特的羽毛適應性。受貓頭鷹的啓發，研究人員試圖通過從不同角度探究風力機、飛機和其他結構的降噪特性，然後利用所獲得的知識開發創新的降噪方案，從而降低風力機、飛機和其他結構的氣動噪聲。 

貓頭鷹寂靜飛行的秘密

貓頭鷹羽毛特點（圖片來源：參考文獻2）

想要探究貓頭鷹寂靜飛行的秘密，首先得先從貓頭鷹翅膀的結構入手。早在1934年英國科學家Graham發現貓頭鷹寂靜飛行的三個主要特徵，分別是梳狀前緣、鋸齒狀的尾緣以及表面柔軟的絨毛，正是這些特殊的結構才導致貓頭鷹能夠實現安靜的飛行。將貓頭鷹的羽毛放大後發現羽毛的邊緣有細齒狀的結構，且沿着展向位置的變化其齒的長細也在發生變化。

經過多年的研究發現，這些特殊的前緣與尾緣齒狀結構會使得輻射聲波之間發生干涉相消的現象，從而引起噪聲的降低。此外，這些前尾緣齒狀結構也會誘導出額外的渦結構從而改變原有流經翅膀的渦結構，亦能實現噪聲源強度的降低。

鋸齒尾緣改變原有的尾緣流場（圖片來源：參考文獻3）

仿生降噪的應用

受貓頭鷹安靜飛行的啓發，研究人員通過在流體部件上安裝齒狀前緣與尾緣來降低其氣動噪聲。齒狀前緣可以降低由於湍流入流與前緣作用所產生的前緣噪聲，而齒狀尾緣則可以降低由於邊界層與尾緣相互作用產生的尾緣噪聲。近些年，鋸齒尾緣也逐漸應用在風電葉片上，通過測量發現在葉片尾緣安裝鋸齒可以獲得3.2分貝的降噪效果。

此外，這種仿生降噪技術也逐漸應用於飛機、無人機、風電等旋轉機械上。隨着仿生降噪技術的成熟，相信將會家用電器上（如空調、排風扇等）得到推廣應用。

仿生降噪技術的應用（圖片來源：參考文獻4和5）

參考文獻：

1. Oerlemans S, Sijtsma P, López B M. Location and quantification of noise sources on a wind turbine[J]. Journal of sound and vibration, 2007, 299(4-5): 869-883.

2. Weger M, Wagner H. Morphological variations of leading-edge serrations in owls (Strigiformes)[J]. PLoS One, 2016, 11(3): e0149236.

3. Gruber M, Joseph P, Chong T. On the mechanisms of serrated airfoil trailing edge noise reduction[C]//17th AIAA/CEAS aeroacoustics conference (32nd AIAA aeroacoustics conference). 2011: 2781.

4. Oerlemans S, Fisher M, Maeder T, et al. Reduction of wind turbine noise using optimized airfoils and trailing-edge serrations[J]. AIAA journal, 2009, 47(6): 1470-1481.

5. Fish F E, Weber P W, Murray M M, et al. The tubercles on humpback whales’ flippers: application of bio-inspired technology[J]. 2011.

來源：中國科學院工程熱物理研究所