航空噪聲的“調(diào)音師”

李明麗

飛機作為一種便捷的交通工具，縮短了旅人去往目的地的時間，但飛機噪聲充斥耳間，成為美好旅程的“負”屬品，特別是在起飛和降落階段，尤其以國際航線更明顯。其實，不管是民用飛機還是軍用飛機，無論是艙內(nèi)噪聲還是艙外噪聲，高強度的噪聲不僅會影響乘客、機組人員、作戰(zhàn)人員的身心健康，更會影響飛機結(jié)構(gòu)的安全和機載精密儀器的性能，對飛行安全、戰(zhàn)斗力產(chǎn)生極大影響。半個多世紀以來，美、歐等國和地區(qū)投入了大量資源研究飛行器的噪聲問題，并制訂了長遠計劃，為實現(xiàn)所設(shè)定的降噪目標，甚至開始探索新的降噪措施。

中國對航空噪聲的研究雖起步稍晚，但伴隨首款大型客機C919的首飛和大型軍用運輸機運-20的列裝，對其的重視程度也在增強。我國的大飛機要打入國際市場，必須滿足各個國家及地區(qū)所設(shè)定的噪聲適航標準。為提升大飛機的舒適性，打破國際噪聲適航條款的技術(shù)壁壘，我國采取了一系列積極行動，如成立聯(lián)合實驗室、開辟獨立的飛機噪聲研究方向、借鑒國外的先進研究模式等，旨在能在航空噪聲研究與抑制上取得飛速進展。

長期從事航空噪聲研究，在飛機艙內(nèi)振動噪聲的預(yù)測與抑制、飛機降噪材料設(shè)計、短艙氣動噪聲預(yù)測與抑制、聲學(xué)超材料、仿生降噪在工程中的應(yīng)用研究等多個方向開展研究，周杰負笈海外多年，2019年甫一回國，他就切身感受到國家對航空噪聲研究的高度重視和支持力度。入職西北工業(yè)大學(xué)航空學(xué)院，乘勢而上，奉獻所學(xué)，周杰愿為國家航空噪聲研究水平的提升貢獻一份力量。用研究成果解決工程實際問題，周杰更希望所做工作能伴隨國家需求上天入海，應(yīng)用到社會生活的方方面面。

兒時夢想照進現(xiàn)實

熱血少年似乎對航空航天有天然的興趣，周杰亦如是。年少時看著親手制作的航模飛向湛藍的天空，他心中溢滿興奮與驕傲。長大后，無論是在哈爾濱工業(yè)大學(xué)讀碩士，做衛(wèi)星隔振研究；還是在英國南安普頓大學(xué)讀博士，做航空噪聲研究，雖然沒有直接參與航天器的“飛”，但周杰所從事工作總算是與航空航天建立了聯(lián)系。

周杰是學(xué)力學(xué)出身，雖所學(xué)基礎(chǔ)專業(yè)與航空航天沒有直接關(guān)聯(lián)，但從進入西安交通大學(xué)工程力學(xué)專業(yè)上大學(xué)時起，他就從招生宣傳冊上了解到力學(xué)可以應(yīng)用到航空航天工程上去。因為力學(xué)是一門基礎(chǔ)學(xué)科，類似于數(shù)學(xué)，是一種工具，可以解決各行各業(yè)的許多問題。

中國在世界力學(xué)界有著名的“兩剛兩健”。即鎖志剛、黃永剛、高華健、盧天健，除黃永剛外，其余3人均畢業(yè)于西安交通大學(xué)力學(xué)系。向前輩們學(xué)習(xí)，周杰在西安交大度過了充實的大學(xué)時光。畢業(yè)在即，對工程應(yīng)用研究感興趣的他，被保送到哈爾濱工業(yè)大學(xué)做振動研究，跟隨黃文虎院士完成學(xué)業(yè)后，他又出國到做振動噪聲研究的世界名校英國南安普頓大學(xué)繼續(xù)深造，從此與航空噪聲研究結(jié)緣，也堅定地走上了解決工程實際問題的探索之路。

留學(xué)南安普頓大學(xué)是周杰人生中的一段重要經(jīng)歷。那里有先進的實驗技術(shù)，尤其聲學(xué)風(fēng)洞處于國際領(lǐng)先，世界各地的科學(xué)家來此學(xué)習(xí)、交流的同時也帶來了新的知識與經(jīng)驗，這讓周杰獲益匪淺。在那里開展的工程應(yīng)用性研究，更讓周杰有了近距離貼近工程實際問題的機會。

南安普頓大學(xué)空客噪聲中心承擔(dān)了許多空中客車公司（Airbus，簡稱“空客”）的項目，周杰有幸參與其中。用新型的發(fā)泡類材料替換原來填充在飛機機艙側(cè)壁板里有隔熱、隔聲作用的傳統(tǒng)玻璃纖維棉材料是空客的目標。如何選擇合適的發(fā)泡材料，采用何種構(gòu)型收到的隔聲效果更好？這需要開發(fā)快速預(yù)估代碼進行評測?！帮w機側(cè)壁板是一種三明治結(jié)構(gòu)，外層是鋁合金蒙皮，中間是隔熱、隔聲層，也可以加空氣層。內(nèi)層是裝飾板，就是我們在飛機里能看到的內(nèi)部裝飾。對這種三明治結(jié)構(gòu)在巡航狀態(tài)下的隔聲能力進行評估，要考慮新型材料的各種聲學(xué)參數(shù)，包括它的微結(jié)構(gòu)尺度，還有相互之間的連接方式等?！敝芙芙榻B。

為開展巡航狀態(tài)下飛機艙內(nèi)噪聲的預(yù)測，周杰做了大量細致入微的工作。從理論入手，他建立了外界湍流通過三明治結(jié)構(gòu)機體進入飛艙內(nèi)的模型，便捷有效評估了艙內(nèi)噪聲水平的同時，利用泡沫微結(jié)構(gòu)與宏觀聲學(xué)參數(shù)的關(guān)系，通過此理論模型還可以合理地選擇實際的泡沫材料以達到更高的傳聲損失。在此基礎(chǔ)上周杰還開發(fā)了一套優(yōu)化程序，針對特定的目標要求，能夠快速有效得到最優(yōu)聲學(xué)結(jié)構(gòu)以達預(yù)期的降噪水平。周杰所做工作得到了空客的認可，回國后，他更將這些研究成果用到了航空領(lǐng)域行業(yè)課題“大型飛機艙內(nèi)聲環(huán)境預(yù)計與聲品質(zhì)評價研究”的問題解決中。

在對隔聲材料做評測的同時，周杰也在著手研究新型材料，尤其到博士后階段，他將工作側(cè)重點放在超材料研究上，用超材料的設(shè)計理念提升原有多孔材料的吸、隔聲性能，進一步降低飛行器的噪聲，為下一代隔聲方案做技術(shù)儲備。

在南安普頓大學(xué)的8年，周杰迅速成長，他的視野得以開闊，應(yīng)用研究取得巨大進展，基礎(chǔ)研究觸及前沿。周杰在國外所做的積累緊密契合了國內(nèi)需求，為用所學(xué)回報祖國，2019年一回國入職西北工業(yè)大學(xué)后，他與航空院所、各類企業(yè)的合作就緊鑼密鼓地展開了。

在聲學(xué)局限中尋突圍

西北工業(yè)大學(xué)航空學(xué)院歷史悠久，被譽為“中國航空器總設(shè)計師的搖籃”。堅持前沿基礎(chǔ)研究與服務(wù)重大工程并重，重點圍繞航空航天科技前沿和國家戰(zhàn)略科技力量發(fā)展重大需求，著力攻克關(guān)鍵核心技術(shù)，學(xué)院參與了我國絕大部分重點飛機型號的研制工作，為推動我國航空事業(yè)跨越式發(fā)展和建設(shè)航空強國作出了突出貢獻。西北工業(yè)大學(xué)航空學(xué)院的實力，周杰早已有所耳聞，因而在選擇回國的工作單位時，毫不猶豫地選擇了它。

航空學(xué)院堅持人才強院戰(zhàn)略，鼓勵開展原創(chuàng)性研究和新興交叉方向探索，為周杰開展科研工作提供了不遺余力的支持。安排實驗場地，配套實驗室建設(shè)經(jīng)費，搭建專業(yè)實驗設(shè)備，提供足夠多招生指標，回國3年，周杰的實驗室發(fā)展很快，團隊也有了一定規(guī)模。

回國后的周杰，生活節(jié)奏比國外要快很多，他承擔(dān)了航空工業(yè)和中國商飛資助的多個大飛機降噪技術(shù)研究，主持了包括國家自然科學(xué)基金、基礎(chǔ)加強技術(shù)領(lǐng)域基金等各類振動噪聲預(yù)測與控制項目十余項。周杰雖忙碌但感到很充實，因為他心中有種緊迫感。

“我國在航空聲學(xué)方面已經(jīng)做了大量的研究，但相對于國外我們還處在追趕階段。我國的噪聲適航標準與國外相差一代。目前歐盟和美國執(zhí)行的飛機噪聲適航標準是第五代，而我國執(zhí)行的仍為第四代標準。我國的大飛機如果想打入國際市場，就必須滿足各個國家及地區(qū)所設(shè)定的噪聲適航標準。雖然C919現(xiàn)在是按照第五代噪聲試航標準在研發(fā)，能滿足現(xiàn)行階段的國外噪聲試航標準，但實際上，我在南安普頓大學(xué)空客噪聲中心時，他們已經(jīng)為第六代標準做技術(shù)儲備了?！痹趪舛嗄?，周杰深知國內(nèi)外存在的差距。

為了提升我國大飛機的舒適性，打破國際噪聲適航條款方面的技術(shù)壁壘急需在飛機噪聲抑制方面有所突破。近年來，國際上出現(xiàn)了具有反常性質(zhì)的超構(gòu)材料，即在亞波長尺度上對結(jié)構(gòu)或者材料進行有序的設(shè)計，來獲得超出自然界固有的普通性質(zhì)的超常材料功能，其中就包括用于吸聲的聲學(xué)超構(gòu)表面材料。鑒于聲學(xué)構(gòu)超材料在噪聲控制方面表現(xiàn)出的優(yōu)異潛質(zhì)，國外已經(jīng)開始探索其在航空降噪方面的應(yīng)用，為實施下一代的噪聲適航標準做準備。如歐盟于2017年，在地平線H2020框架下設(shè)立了題為“基于超材料的先進飛機降噪技術(shù)”（AdvancEd?aicRaft-noIse-AlLeviation?devIceS?using?meTamaterials）的項目，德國和加拿大政府支持空客公司與國際聲學(xué)公司邁克納米（Mecanum）及明尼蘇達礦務(wù)及制造業(yè)公司（3M公司）等于2018年設(shè)立了題為“新型隔聲超材料在航空降噪應(yīng)用研究”（New?Acoustic?Insulation?Metamaterial?Technology?for?Aerospace?Applications）的項目。

為趕超國際，實現(xiàn)自我創(chuàng)新，國內(nèi)科學(xué)家各自找準方向紛紛投入對聲學(xué)超構(gòu)材料的研發(fā)中。周杰則將關(guān)注點放在如何用聲學(xué)超構(gòu)表面材料解決航空發(fā)動機降噪這類工程問題上?！昂娇瞻l(fā)動機作為大飛機噪聲的主要來源之一，能否得到有效抑制，直接決定了我國在航空降噪領(lǐng)域的研究能力與技術(shù)水平。然而，目前聲學(xué)超構(gòu)材料的聲學(xué)特性研究絕大多數(shù)都是基于靜態(tài)無流動條件的，對于建筑領(lǐng)域的噪聲抑制，它是可行的，但對于運載工具，特別是高速運動的飛機、載人飛船等，其處在一個高速運動的狀態(tài)下，背景場中氣體的流動產(chǎn)生的對流效應(yīng)和對聲波的折射影響，以及引起結(jié)構(gòu)聲阻抗的變化，這都會影響聲學(xué)超構(gòu)表面的降噪特性。實現(xiàn)聲學(xué)超構(gòu)表面在航空發(fā)動機降噪的應(yīng)用需要解決很多難題?！敝芙芴寡?。

迎難而上，在國家自然科學(xué)基金面上項目支持下，周杰承擔(dān)的“剪切流場下聲學(xué)超構(gòu)表面的聲學(xué)特性研究與降噪結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計”研究正在順利推進中。以大飛機降噪為需求牽引，航空發(fā)動機新型聲襯研發(fā)為目標，綜合發(fā)展理論分析方法和實驗手段，周杰旨在突破原有靜態(tài)環(huán)境下聲學(xué)超構(gòu)表面設(shè)計理論與分析方法在氣動聲學(xué)應(yīng)用領(lǐng)域的局限性，設(shè)計開發(fā)一種適用于航空發(fā)動機降噪的低流動干擾、寬頻強吸聲的聲學(xué)超構(gòu)表面。他的研究將為聲學(xué)超構(gòu)表面材料應(yīng)用于氣動噪聲降噪領(lǐng)域奠定研究基礎(chǔ)，同時也將有助于拓展聲學(xué)超構(gòu)表面材料在超聲速飛行器、高速列車及水下航行器等運載工具在實際運行中的降噪應(yīng)用。

“解決航空降噪問題，關(guān)鍵在于新材料、新結(jié)構(gòu)的應(yīng)用，這是國內(nèi)外的大趨勢，由于航空降噪材料所受限制較多，既要耐高低溫、抗潮濕，又要耐火、抗沖擊，所以研發(fā)結(jié)構(gòu)功能一體化的輕質(zhì)、高效材料是趨勢中的趨勢?！敝芙芙榻B。

自然進化使得生物材料具有最合理、最優(yōu)化的宏觀、細觀、微觀結(jié)構(gòu)，向生物界索取藍圖的道路，大大開闊了人們的視野。采用仿生學(xué)原理，設(shè)計、制備新型仿生材料，成為迅速崛起的研究領(lǐng)域。順應(yīng)趨勢，周杰帶領(lǐng)團隊著手開展仿生降噪材料研究。

人類飛行在模仿鳥類，而靜音飛行主要模仿貓頭鷹，貓頭鷹飛起來沒有聲音，與其羽毛的微納結(jié)構(gòu)有關(guān)，模仿貓頭鷹羽毛的仿生結(jié)構(gòu)實現(xiàn)噪聲控制，一款薄膜仿生材料被周杰團隊研發(fā)出來。這款材料厚度約為25微米，為人類頭發(fā)絲直徑的1/3。將這款材料用到發(fā)泡材料上，不會增加原有發(fā)泡材料的厚度，也不會增加重量，但吸聲能力卻在成倍提高。“新材料、新結(jié)構(gòu)可拓展的空間極大。”周杰說，“而要打破邊界、沖破限制，既要有對科研不懈的堅持和投入，還要有創(chuàng)新思維和意識，更要具備打破常規(guī)的勇氣與魄力?！睘榱送卣棺约貉芯康倪吔?，周杰正全力以赴。

把論文寫在祖國大地上

在網(wǎng)上，周杰的個人主頁寫著這樣一句話：“歡迎有志青年來報考碩士生、博士生，我們一起做有意思的事情。”回國雖僅有3年，但在教學(xué)上周杰卻已積攢了一些經(jīng)驗。

在南安普頓大學(xué)跟隨張欣老師做博士后時，周杰已在幫老師帶博士生。之后張老師前往香港科技大學(xué)任教，周杰繼續(xù)遠程帶學(xué)生。這樣的經(jīng)歷，讓周杰有機會思考師生之間如何教學(xué)相長，尤其張欣老師對他的評價，直接影響他真正成為老師后的教學(xué)方法和態(tài)度。張欣老師曾說，周杰幫他開辟了一個新的方向，因為原來課題組只從事流體力學(xué)和氣動噪聲研究，正是在遇到周杰后，課題組開始了超材料在降噪方面的應(yīng)用研究。

周杰認為，教師只是一個引領(lǐng)者，但在創(chuàng)新面前大家都有發(fā)言權(quán)，尤其20歲～30歲之間的年輕人，思想最活躍，想法特別多，點子尤為新奇，初生牛犢不怕虎，更容易爆發(fā)出驚人的創(chuàng)新能力。“把學(xué)生領(lǐng)進科研的世界，給他們自由，讓他們不設(shè)限地去嘗試那些天馬行空的想法。他們的思維開闊了，固化在老師思維中的一些樊籬也會被沖破，創(chuàng)造力帶來的能量和愉悅是大家共同珍視的東西?！敝芙苷f。

周杰支持學(xué)生大膽嘗試新想法，也鼓勵他們跳出自己專業(yè)的小圈子做交叉研究。參加學(xué)術(shù)報告，他會建議大家去了解別的研究方向在做什么，引導(dǎo)大家思考如何借鑒其他學(xué)科的知識去豐富自己的研究。為了讓交叉水到渠成，周杰組建團隊時也刻意做了一些安排，團隊中有做流體力學(xué)的學(xué)生，有做固體材料的學(xué)生。還有做AI智能算法的學(xué)生。在如此交融的環(huán)境下，大家的交流多了，想法也更加活躍了。

在高校工作，周杰認為教學(xué)是他最重要的責(zé)任。他把教學(xué)當成一門藝術(shù)，花心思去琢磨，更把自己做科研的理念融入到教學(xué)中。雖然教授的是比較基礎(chǔ)的數(shù)學(xué)課，但他不會單純地只講數(shù)學(xué)，面向航空航天方向的學(xué)生，枯燥地灌輸數(shù)學(xué)知識，他認為學(xué)生們不能完全理解這些知識將來能干什么。告訴學(xué)生數(shù)學(xué)的應(yīng)用背景，并結(jié)合自己的研究做講解，把枯燥的課程變得生動，既提升了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，又將學(xué)以致用，服務(wù)國家、民生，用研究成果解決工程實際問題的科研理念傳遞了出去。

不只限于在課堂上傳播這樣的科研理念，在科研實踐中周杰也是這樣做的。他與航空工業(yè)第一飛機設(shè)計研究院合作，進行大飛機艙內(nèi)噪聲預(yù)測、聲品質(zhì)評價及降噪材料的研發(fā)；與中國船舶重工集團公司第七〇一研究所合作，做水下航行器降噪材料的研發(fā)。在工程應(yīng)用方面，目前周杰申請的5個專利，已獲批2個?，F(xiàn)在，他正與第一飛機設(shè)計研究院共同申請螺旋槳飛機的艙內(nèi)噪聲測試專利。

不光上天下水，周杰的研究還應(yīng)用到了與民生密切相關(guān)的電力領(lǐng)域，與國家電網(wǎng)公司電網(wǎng)環(huán)保重點實驗室、國家電網(wǎng)陜西研究院合作，針對變電站產(chǎn)生的中低頻噪聲，結(jié)合實際變電站降噪和通風(fēng)需求，周杰利用管道聲學(xué)理論和聲學(xué)超材料理念，將“回”形空腔的中低頻吸聲特性和多孔材料的高頻吸聲特性進行了結(jié)合，提出了一種超構(gòu)復(fù)合矩陣式消聲器，與傳統(tǒng)阻性消聲器相比，在100～400Hz的低頻范圍內(nèi)，超構(gòu)復(fù)合矩陣式消聲器較傳統(tǒng)阻性消聲器的降噪性能得到明顯提升，傳聲損失能夠提高5dB以上，很好實現(xiàn)了變電站降噪和通風(fēng)需求。另外，他還拿到陜西省天然氣揭榜掛帥項目，要開展天然氣管道的減振降噪研究。把論文寫在祖國大地上，軍用或民用，飛機或其他領(lǐng)域，周杰的研究正應(yīng)用到具體工程實踐的方方面面。

“仰望星空，腳踏實地”是周杰一直秉持的科研準則。上可解決國家“卡脖子”問題，下可服務(wù)社會民生，是周杰的科研夢想。為實現(xiàn)夢想，周杰愿用一生孜孜以求。

（責(zé)編：李莉）