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《吉林大学》 2012年
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三种鸮形态学、飞行运动学特征规律及其仿生研究

陈坤  
【摘要】:随着经济和社会的发展,噪声已经成为大气污染和水污染之外的第三大污染,而气动噪声在噪声污染中占有较大的比重。降低气动噪声,减少噪声环境污染,正成为相关科学与技术研究的前沿与热点。 许多鸮形目鸟类都进化出静音飞行的能力,如灰林鸮(Strix aluco)、仓鸮(Tyto alba)、雕鸮(Bubo bubo)等。鸮类主要以鼠类等动物为食,这些猎物在2-20kHz范围内具有敏锐的听力,但静音鸮在这个频率范围内,无论是在扑翼飞行还是滑行时均产生低强度的噪声,使鸮类能够悄无声息地接近猎物。鸮形目鸟类进化出的静音飞行特性,为工程降噪技术提供了新的仿生学思路与方法,对于降低工程气动噪声具有重要意义。 本文从仿生学角度出发,主要以雕鸮(Bubo bubo)与长耳鸮(Asio otus)两种静音鸮为研究对象,对比分析静音鸮的飞行声学特性、翅膀及羽毛的几何形态学特征以及飞行运动学特征,并将静音鸮的消音特征进行仿生应用研究。旨在为揭示鸮类静音飞行的机理提供理论与数据基础,为仿生降噪技术提供生物模型。 本文对长耳鸮扑翼飞行与固定扑翼运动产生的噪声进行了研究,并同体型及飞行性能相似的雀鹰(Accipiter nisus)进行噪声频谱对比分析。同时,采用阻抗管等吸声系数测量仪器,对雕鸮羽毛在1k~6.3kHz频率范围内的吸声性能进行了研究分析。飞行噪声声谱分析结果表明,与雀鹰相比,长耳鸮在扑翼飞行与固定扑翼运动时均具有较低强度的噪声,且产生的噪声主要为低频噪声。相对于扑翼飞行,长耳鸮固定扑翼运动时产生的低频噪声增大,而高频噪声变化不大。吸声系数测量结果表明,雕鸮的羽毛具有较好的吸声性能,且其对于高频声的吸声性能要优于低频声。将雕鸮羽毛覆于多孔吸声材料上,发现雕鸮羽毛有利于改善多孔吸声材料在1k~3.1kHz频率范围内的吸声性能。 本文测试分析了雕鸮与普通鵟(Buteo buteo)的翅膀及羽毛的宏观与微观结构,并分析了雕鸮羽毛独特特征对鸮类静音飞行的作用。研究结果表明,雕鸮具有大而宽的羽毛,其初级飞羽内羽片羽枝与羽轴夹角大于外羽片。从羽毛近端到羽毛远端,雕鸮初级飞羽羽枝与羽轴夹角呈现先增加后减小的趋势。雕鸮羽毛内外羽片呈现显著的不对称性,使得相邻羽毛间重叠面积较小,有利于减小由于摩擦而引起的噪声。对雕鸮羽毛消音特征的观察表明,雕鸮羽毛锯齿形羽枝的基部远端羽小枝具有羽小钩,而锯齿尖部的远端羽小枝不具有羽小钩。羽毛内外羽片的刘海状边缘使羽毛重叠区的交接处和翅膀尾缘处形成平滑的边界层,减少了边界层噪声。雕鸮羽毛的羽枝具有较长的远端羽小枝,微观上形成多层网格状多孔结构,宏观表现为羽毛表面的绒毛结构,这种多层网格状多孔结构起到了吸声的作用。 本文提取了领角鸮(Otus lettia)翅膀每10%半翼展截面处的翼型,并对翼型参数进行了分析。研究结果表明,领角鸮翅膀翼型为前缘厚,后缘薄的低速翼。从翅膀根部到翅膀端部,领角鸮翅膀不同翼型截面的攻角呈现先减小后增大的变化趋势。领角鸮翅膀截面翼型的最大厚度主要集中于10%~30%弦长位置范围内。不同截面翼型的最大弯度的分布变化较大,从10%半翼展截面处到90%半翼展截面处,翼型的最大弯度位置由前缘向后缘发展。从翅膀根部到翅膀端部,领角鸮翼型的最大弯度和最大厚度值呈现先增加后减小的趋势。 基于三维运动捕捉技术,本文对典型鸮的运动学进行了初步研究,分别对长耳鸮与雕鸮以及长耳鸮与雀鹰的飞行运动进行对比分析。依据捕获的运动学数据,得到长耳鸮、雕鸮与雀鹰的运动轨迹,并计算了扑翼频率、扑翼周期、腕关节角度、上扬运动与下拍运动周期百分比等运动学参数,初步建立了长耳鸮稳态运动学方程。长耳鸮和雕鸮扑翼飞行时,翼尖、腕关节和第十枚初级飞羽的轨迹变化较为明显。尤其是翼尖轨迹,在翅膀上扬过程中,呈现双“8”字运动。而雀鹰的翅膀在上扬过程中,呈现单“8”字运动。长耳鸮与雀鹰体型相似,飞行速度差别不大,但雀鹰的扑翼频率高于长耳鸮。雕鸮与长耳鸮单周期内腕关节角度的变化趋势相似,均为腕关节角度在下扑过程中基本保持不变,直到开始上扬运动,腕关节角度开始降低。但雀鹰的腕关节角度在下扑过程中先增大,后保持不变,直到开始上扬运动,翅膀的腕关节角度开始降低。 基于雕鸮羽毛的消音机理,将其羽毛的消音特征以条纹结构和锯齿形态的形式,在轴流风机叶片上进行重构,设计了耦合仿生降噪风机叶片。采用试验优化的方法,研究了模仿静音鸮羽毛条纹及锯齿形态参数对风机叶片气动噪声的影响。结果表明,在叶片上重构的仿生条纹结构和锯齿形态,能够降低风机运行噪声。试验条件下,仿生风机叶片的A声级值最大可降低9.8%。极差分析与方差分析结果表明,条纹结构对风机叶片气动噪声的影响高于锯齿形态,条纹结构的宽度、深径比和条纹形状是影响耦合仿生叶片气动噪声的主要因素。耦合仿生叶片降噪效果最佳的组合为条纹宽度1.5mm、条纹结构深径比为2、条纹间距为6mm、条纹截面为U型和锯齿宽度为3mm。
【学位授予单位】:吉林大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2012
【分类号】:Q811

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【引证文献】
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