此時無聲勝有聲
——記北京大學(xué)工學(xué)院航空航天工程系特聘研究員呂本帥

倪海波

高鐵風(fēng)馳電掣，飛機沖入云霄，現(xiàn)代人的出行擁有前所未有的速度。三峽電站氣勢磅礴，哈密風(fēng)場綿延不絕，新型能源為社會不斷注入綠色動力。工業(yè)讓現(xiàn)代的生產(chǎn)更加高效，生活更加便利，但同時也產(chǎn)生了無處不在的噪聲污染。多年來，北京大學(xué)工學(xué)院航空航天系特聘研究員呂本帥致力于聲學(xué)相關(guān)領(lǐng)域的研究，在航空及能源領(lǐng)域的氣動聲學(xué)研究中取得了一系列成就，為噴氣式飛機與風(fēng)機等設(shè)備的噪聲控制作出了重大貢獻。

好奇·走近物理

如果用一個詞來總結(jié)童年的呂本帥對大千世界的小小態(tài)度，那便是好奇。“什么是電，它是怎么來的？”“馬達為什么會旋轉(zhuǎn)？”“電視的聲音從哪里來？”在他小小的眼睛里，由金屬和導(dǎo)線制作的一個個方塊像潘多拉魔盒一樣，蘊含著巨大而神奇的魔力，吸引著他不停地想往深處探個究竟。假如你推開他童年臥室的房門，映入眼簾的一定是滿地狼藉：被拆得七零八落的鐘表、收音機甚至電視機。尚顯稚嫩的他盤腿坐在地上，專注地研究著每一個零件?！半m然多數(shù)時候很多東西根本沒辦法拼回去，但能把盒子拆開看看有什么就已經(jīng)大大滿足了我小時候的好奇心?！闭劦酱颂巺伪編洸挥尚Φ?。

對于呂本帥來說，因為這些奇奇怪怪的小問題如此有趣，當(dāng)開始接觸到能夠回答這些問題的物理學(xué)科時他就如獲至寶。哥哥姐姐的物理教材，呂本帥已經(jīng)不知道翻了多少遍，并且每一次重讀都能有一些新的收獲。在逐漸找到各個問題答案的過程中，呂本帥對物理產(chǎn)生了濃厚的興趣。

2008年，呂本帥考入南京大學(xué)聲學(xué)專業(yè)。始建于1902年，南京大學(xué)的前身曾是有民國最高學(xué)府之稱的“國立中央大學(xué)”，擁有門類齊全的學(xué)科設(shè)置。中華人民共和國成立后全國院系調(diào)整，南京大學(xué)逐漸成長為以文理見長的綜合性重點大學(xué)。作為國內(nèi)綜合類院校中唯一的本科專業(yè)，南京大學(xué)的聲學(xué)曾單獨從物理系劃分出來，后根據(jù)新時期學(xué)校院系改革方案，聲學(xué)專業(yè)以聲科學(xué)與工程系重新回到物理學(xué)院。當(dāng)呂本帥進入南京大學(xué)時，就仿佛拿到了打開物理大門的鑰匙，得以進入其中并踏上聲學(xué)的學(xué)習(xí)道路。在濃厚研習(xí)氛圍的浸潤下，呂本帥的學(xué)習(xí)也格外勤奮，本科4年始終保持著專業(yè)第一名的好成績，為其后的聲學(xué)研究打下了堅實的基礎(chǔ)。

呂本帥

求學(xué)·潛心鉆研

“如果說在南京大學(xué)的4年是一段充實的旅行，讓我打下了牢固的數(shù)學(xué)和物理基礎(chǔ)，那么在劍橋大學(xué)的7年則更像一場虔誠的修行，讓我能夠在一個選定的方向走得很遠?！眳伪編浕貞涀约旱难芯繗v程時說道。2013年，本科畢業(yè)后的呂本帥決心前往英國劍橋大學(xué)繼續(xù)攻讀碩士和博士學(xué)位。關(guān)于選擇劍橋大學(xué)的原因，呂本帥擁有清醒的認知。劍橋大學(xué)作為氣動聲學(xué)這一學(xué)科的發(fā)源地，匯集了一批氣動聲學(xué)領(lǐng)域的權(quán)威學(xué)者，無論是研究水平還是教育資源，這里都是金字塔的頂端，是氣動聲學(xué)研究最理想的去處。

事實證明他的選擇沒有錯。在氣動聲學(xué)權(quán)威學(xué)者的指導(dǎo)與全額碩博獎學(xué)金的資助下，呂本帥得以在劍橋大學(xué)心無旁騖地認真鉆研，并在氣動聲學(xué)領(lǐng)域迅速嶄露頭角，通過一系列重要成果獲得了領(lǐng)域內(nèi)的一致認可。

“我在碩士時期研究的是風(fēng)力發(fā)電機等領(lǐng)域前緣和尾緣噪聲的問題。”介紹留學(xué)經(jīng)歷時呂本帥說道，“想必大家都注意過在風(fēng)中呼嘯轉(zhuǎn)動的風(fēng)機葉片?？諝庠谘仫L(fēng)機葉片表面流動時會形成一個薄薄的空氣層，層內(nèi)的湍流會跟葉片的尾緣相互作用產(chǎn)生尾緣湍流噪聲，這便是風(fēng)機噪聲的主要來源。”研究發(fā)現(xiàn)將葉片尾緣的形狀由直線狀改為鋸齒狀，可有效地降低尾緣湍流噪聲。那么到底是什么樣的物理機制導(dǎo)致了降噪？能不能建立數(shù)學(xué)模型來準確地預(yù)測其降噪效果，進而達到指導(dǎo)風(fēng)機降噪設(shè)計的目的？碩士時期的呂本帥下決心解決的就是這些重要的問題。經(jīng)過一年的潛心研究，呂本帥成功解決了前緣和尾緣噪聲領(lǐng)域中積存長達25年的數(shù)學(xué)問題，建立了更為準確的前尾緣湍流噪聲數(shù)學(xué)模型，揭示了長期未有定論的前尾緣噪聲控制的物理機理，給工業(yè)界設(shè)計鋸齒的大小提供了明確的指導(dǎo)。該成果發(fā)表后，在國際上受到高度評價。世界最大的風(fēng)機制造商維斯塔斯曾主動聯(lián)系呂本帥所在的研究組，開展一系列合作研究。

2017年與諾貝爾物理學(xué)獎得主Kip Thorne（左一）和Barry Barish（左三）在加州理工學(xué)院

博士期間，呂本帥跟隨導(dǎo)師在氣動聲學(xué)領(lǐng)域進一步深耕。呂本帥的博士生導(dǎo)師是前英國皇家工程院院長Dame Ann Dowling（安道琳）教授。安道琳教授不僅是氣動聲學(xué)領(lǐng)域的世界權(quán)威，而且還是英國皇家學(xué)會會士、英國工程院院士，美國、法國、中國工程院外籍院士，曾獲得大英帝國勛爵士等重要獎項，在氣動聲學(xué)領(lǐng)域擁有豐富的經(jīng)驗和極高的見識。作為安道琳院士的最后一位學(xué)生，呂本帥得到了導(dǎo)師專業(yè)且耐心的指導(dǎo)，在攻讀博士的3年里在氣動聲學(xué)領(lǐng)域做出了突破性的成果。

呂本帥博士期間研究的是噴氣式飛機的噪聲問題。早在20世紀50年代，人們就發(fā)現(xiàn)由航空發(fā)動機噴流產(chǎn)生的噪聲是整架飛機最主要的噪聲來源。為了單獨研究這部分噪聲，當(dāng)時人們采取的解決辦法是將飛機的發(fā)動機“拆下來”送到相關(guān)的實驗室進行單獨研究，等研究人員認為對噴流噪聲有了深入的理解并對發(fā)動機進行了相關(guān)優(yōu)化之后，再將其“裝回”到飛機上。然而，到了20世紀70年代，研究人員將優(yōu)化過的發(fā)動機重新“裝回”到機身上時，卻發(fā)現(xiàn)發(fā)動機工作時的噴流噪聲能量不僅沒有下降，反而在低頻增加了不止10倍。

為什么發(fā)動機的噴流噪聲能量不降反增，且增加10倍之多？在與導(dǎo)師的討論中，呂本帥推測這部分能量很有可能來自于一個全新的聲源。在這個思路下，呂本帥考慮到這可能與噴流中不穩(wěn)定波的散射有關(guān)，而這一直是大部分研究該問題的學(xué)者所忽略的。想到這里他非常興奮，于是立即開始推演，很快便建立了能夠描述這個新聲源的理論模型。果然，新的模型很好地復(fù)現(xiàn)了實驗結(jié)果。在發(fā)現(xiàn)這種新的噪聲源后，呂本帥又進行了一系列相關(guān)驗證實驗，最終實驗的結(jié)果和理論模型的預(yù)測幾乎完全吻合，切實地驗證了這個新聲源的推斷。這些成果獲得了國際同行的高度評價，在領(lǐng)域內(nèi)最重要的國際氣動聲學(xué)年會上從眾多工作中脫穎而出，斬獲了當(dāng)年唯一的最佳學(xué)生論文獎。

與導(dǎo)師Ann Dowling在劍橋

求學(xué)生涯結(jié)束后，呂本帥繼續(xù)留在劍橋大學(xué)從事博士后研究工作。這個時期，他延續(xù)了前尾緣湍流噪聲的研究。在碩士階段的工作中，他用數(shù)學(xué)模型解決了鋸齒的長度和寬度的最優(yōu)設(shè)計問題，但仍有重要的工作還未得到解決：不同的鋸齒形狀對降噪效果有什么影響？能夠產(chǎn)生降噪效果的最佳鋸齒形狀又是怎樣的？通過對數(shù)學(xué)模型的漸進分析，呂本帥證明了最優(yōu)齒形應(yīng)該滿足的數(shù)學(xué)條件，并據(jù)此提出了全新的具有更優(yōu)越降噪效果的新型Ogee齒形結(jié)構(gòu)。在理論結(jié)果的指導(dǎo)下，呂本帥進行了實驗驗證，結(jié)果表明在鋸齒的長度和寬度都不變的情況下，僅僅將鋸齒的形狀改變成新的Ogee形狀，便能得到高達8個分貝的額外降噪效果，有力驗證了理論分析的正確性。該成果在氣動聲學(xué)及其相關(guān)的應(yīng)用領(lǐng)域內(nèi)產(chǎn)生了廣泛的影響，它不僅可用于風(fēng)機葉片的降噪，對于無人機、直升機、風(fēng)扇等設(shè)備的降噪研究工作同樣具有重要意義。

歸國·學(xué)以致用

在國外求學(xué)和從事研究工作期間，呂本帥憑借一個又一個突破性的研究成果漸漸吸引了學(xué)界和業(yè)界的關(guān)注。在外人看來，他如同一顆冉冉升起的學(xué)術(shù)新星，必將在氣動聲學(xué)領(lǐng)域大展宏圖。然而就在身邊人以為他會繼續(xù)留在國外發(fā)展事業(yè)的時候，他卻選擇了回國。對于這一步選擇，呂本帥坦承自己早就有所規(guī)劃?！爱?dāng)年決定前往劍橋大學(xué)留學(xué)的時候，就想好了出國的目的是為了學(xué)習(xí)氣動聲學(xué)領(lǐng)域的先進知識并且開拓視野，最終一定是要回來的?！眳伪編浾f道，“這么多年即使適應(yīng)了國外的飲食、語言等習(xí)俗，但始終有種浮于表面的感覺，對故土的依戀是深深刻在每一個漢字、每一味佳肴以及每一寸山河里的。尤其在不經(jīng)意間，看到父母的兩鬢已然在自己遠渡重洋的8年間青絲成雪時，更加堅定了我回國的選擇?！?/p>

“除了感情因素的考量外，我覺著國內(nèi)也正處在一個蓬勃發(fā)展的機遇期，擁有很多機會，如果能親眼見證國家的發(fā)展，或者能在這個過程中做一點微不足道的貢獻，那就真的很滿足了。”呂本帥說道。隨著世界科技的發(fā)展，歐美多國對航空噪聲的要求愈發(fā)嚴格，并率先制訂了較高的相關(guān)標準，“如果我國制造的飛機噪聲標準不達標，將因不能取得適航許可而無法在相關(guān)國家的機場起飛降落?！眳伪編涱H為嚴肅地解釋道。由此來看，我國在航空噪聲領(lǐng)域的發(fā)展需求已經(jīng)到了相當(dāng)緊迫的程度。

回國后的呂本帥選擇加入我國流體力學(xué)研究底蘊深厚的北京大學(xué)，并順利入選高層次人才計劃青年項目，在相關(guān)部門支持下從事交通與能源領(lǐng)域的一系列氣動聲學(xué)研究工作，力圖通過研究成果為我國交通與能源領(lǐng)域的噪聲控制作出貢獻。

在交通領(lǐng)域，除了航空噪聲，呂本帥的研究還涉及高鐵等的噪聲問題。眾所周知，多年來隨著技術(shù)的發(fā)展，我國高鐵無論是在速度還是舒適度方面都走在國際前列，然而噪聲卻一直是該領(lǐng)域的棘手問題。在我國一些高鐵經(jīng)過的居民區(qū)或者生態(tài)保護區(qū)，為了降低噪聲影響，往往會在軌道附近建立噪聲屏障。然而，高鐵噪聲屏障的造價之高超乎普通人的想象。更為重要的是，隨著我國高鐵的不斷提速，噪聲屏障又將面臨重新建造。因此，更為長遠、有效和低成本的辦法是在源頭上降低高鐵的噪聲，這也是呂本帥回國后重點關(guān)注的研究方向之一。在能源領(lǐng)域，降噪的需求也同樣緊迫。以風(fēng)能為例，當(dāng)前風(fēng)力發(fā)電機在工作時產(chǎn)生的噪聲已成為阻礙大規(guī)模風(fēng)場建設(shè)的關(guān)鍵因素之一?！巴ㄟ^給風(fēng)機降噪能較大地促進我國風(fēng)力發(fā)電事業(yè)的發(fā)展，盡早實現(xiàn)我國電力結(jié)構(gòu)改革和碳中和目標，這也將會是我今后研究的重點?！眳伪編洸粺o堅定地說道。

呂本帥在北京大學(xué)的研究組以波動物理命名，意在研究一系列與波動相關(guān)的物理問題。例如，除氣動聲學(xué)相關(guān)的研究外，呂本帥還進行著流體不穩(wěn)定性以及發(fā)動機的熱聲不穩(wěn)定問題的研究。航空與火箭發(fā)動機通過燃燒燃料產(chǎn)生動力。然而或許令大家感到意外的是，不穩(wěn)定燃燒的火焰也會產(chǎn)生聲波，這種聲波會反過來影響火焰燃燒的不穩(wěn)定程度。當(dāng)這種反饋是正向反饋時，火焰會越發(fā)不穩(wěn)定，進而聲波壓力脈動越發(fā)劇烈。如果聲波壓力幅值不斷增大到超出結(jié)構(gòu)的承受范圍，則會出現(xiàn)機毀人亡的事故。在呂本帥回國后的研究規(guī)劃中，也包括對這種熱聲不穩(wěn)定問題的機理與控制研究。

2018年博士畢業(yè)典禮時與父母在劍橋大學(xué)休斯學(xué)堂主樓前合影

教育·薪火相傳

呂本帥很清楚，中國氣動聲學(xué)研究領(lǐng)域的發(fā)展是需要一代又一代學(xué)者一起向前推進的。因此在個人研究規(guī)劃之外，他對教育也有著清晰的認知與認真的規(guī)劃?！耙龀鲆涣鞯脑瓌?chuàng)科研成果，必須培養(yǎng)具備扎實的數(shù)學(xué)物理和氣動聲學(xué)理論基礎(chǔ)的學(xué)生?！睘榇?，呂本帥專門從英國購入了物理及聲學(xué)領(lǐng)域的英文原版經(jīng)典教材，凡是他的學(xué)生，基本都會人手一本。在他看來，學(xué)生們只有將物理與聲學(xué)的基礎(chǔ)打牢了，才能真正理解研究問題的物理本質(zhì)，抓住問題的主要矛盾，形成一定的物理直覺，在基礎(chǔ)概念、理論、方法和技術(shù)的創(chuàng)新上獲得突破。

“我國的氣動聲學(xué)雖然起步較晚，但通過一代代研究人員的不斷努力，我們將有希望在該領(lǐng)域取得不斷進步，在未來趕上甚至超過國際先進水平?！眳伪編浾f道。而這，不僅是老一輩研究人員的希望，也將是他不懈努力的方向。