航空噪聲的“調音師”

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、作戰人員的身心健康，更會影響飛機結構的安全和機載精密儀器的性能，對飛行安全、戰斗力產生極大影響。半個多世紀以來，美、歐等國和地區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，為實現所設定的降噪目標，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所設定的噪聲適航標準。為提升大飛機的舒適性，打破國際噪聲適航條款的技術壁壘，我國采取了一系列積極行動，如成立聯合實驗室、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，在飛機艙內振動噪聲的預測與抑制、飛機降噪材料設計、短艙氣動噪聲預測與抑制、聲學超材料、仿生降噪在工程中的應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。入職西北工業大學航空學院，乘勢而上，奉獻所學，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，應用到社會生活的方方面面。

兒時夢想照進現實

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大學讀碩士，做衛星隔振研究；還是在英國南安普頓大學讀博士，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系。

周杰是學力學出身，雖所學基礎專業與航空航天沒有直接關聯，但從進入西安交通大學工程力學專業上大學時起，他就從招生宣傳冊上了解到力學可以應用到航空航天工程上去。因為力學是一門基礎學科，類似于數學，是一種工具，可以解決各行各業的許多問題。

中國在世界力學界有著名的“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人均畢業于西安交通大學力學系。向前輩們學習，周杰在西安交大度過了充實的大學時光。畢業在即，對工程應用研究感興趣的他，被保送到哈爾濱工業大學做振動研究，跟隨黃文虎院士完成學業后，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繼續深造，從此與航空噪聲研究結緣，也堅定地走上了解決工程實際問題的探索之路。

留學南安普頓大學是周杰人生中的一段重要經歷。那里有先進的實驗技術，尤其聲學風洞處于國際領先，世界各地的科學家來此學習、交流的同時也帶來了新的知識與經驗，這讓周杰獲益匪淺。在那里開展的工程應用性研究，更讓周杰有了近距離貼近工程實際問題的機會。

南安普頓大學空客噪聲中心承擔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。用新型的發泡類材料替換原來填充在飛機機艙側壁板里有隔熱、隔聲作用的傳統玻璃纖維棉材料是空客的目標。如何選擇合適的發泡材料，采用何種構型收到的隔聲效果更好？這需要開發快速預估代碼進行評測。“飛機側壁板是一種三明治結構，外層是鋁合金蒙皮，中間是隔熱、隔聲層，也可以加空氣層。內層是裝飾板，就是我們在飛機里能看到的內部裝飾。對這種三明治結構在巡航狀態下的隔聲能力進行評估，要考慮新型材料的各種聲學參數，包括它的微結構尺度，還有相互之間的連接方式等?！敝芙芙榻B。

為開展巡航狀態下飛機艙內噪聲的預測，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構機體進入飛艙內的模型，便捷有效評估了艙內噪聲水平的同時，利用泡沫微結構與宏觀聲學參數的關系，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。在此基礎上周杰還開發了一套優化程序，針對特定的目標要求，能夠快速有效得到最優聲學結構以達預期的降噪水平。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域行業課題“大型飛機艙內聲環境預計與聲品質評價研究”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，他將工作側重點放在超材料研究上，用超材料的設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儲備。

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

在聲學局限中尋突圍

西北工業大學航空學院歷史悠久，被譽為“中國航空器總設計師的搖籃”。堅持前沿基礎研究與服務重大工程并重，重點圍繞航空航天科技前沿和國家戰略科技力量發展重大需求，著力攻克關鍵核心技術，學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跨越式發展和建設航空強國作出了突出貢獻。西北工業大學航空學院的實力，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。

航空學院堅持人才強院戰略，鼓勵開展原創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，配套實驗室建設經費，搭建專業實驗設備，提供足夠多招生指標，回國3年，周杰的實驗室發展很快，團隊也有了一定規模。

回國后的周杰，生活節奏比國外要快很多，他承擔了航空工業和中國商飛資助的多個大飛機降噪技術研究，主持了包括國家自然科學基金、基礎加強技術領域基金等各類振動噪聲預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。

“我國在航空聲學方面已經做了大量的研究，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。目前歐盟和美國執行的飛機噪聲適航標準是第五代，而我國執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所設定的噪聲適航標準。雖然C919現在是按照第五代噪聲試航標準在研發，能滿足現行階段的國外噪聲試航標準，但實際上，我在南安普頓大學空客噪聲中心時，他們已經為第六代標準做技術儲備了?！痹趪舛嗄?，周杰深知國內外存在的差距。

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，國際上出現了具有反常性質的超構材料，即在亞波長尺度上對結構或者材料進行有序的設計，來獲得超出自然界固有的普通性質的超常材料功能，其中就包括用于吸聲的聲學超構表面材料。鑒于聲學構超材料在噪聲控制方面表現出的優異潛質，國外已經開始探索其在航空降噪方面的應用，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框架下設立了題為“基于超材料的先進飛機降噪技術”（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公司邁克納米（Mecanum）及明尼蘇達礦務及制造業公司（3M公司）等于2018年設立了題為“新型隔聲超材料在航空降噪應用研究”（New?Acoustic?Insulation?Metamaterial?Technology?for?Aerospace?Applications）的項目。

為趕超國際，實現自我創新，國內科學家各自找準方向紛紛投入對聲學超構材料的研發中。周杰則將關注點放在如何用聲學超構表面材料解決航空發動機降噪這類工程問題上?！昂娇瞻l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域的研究能力與技術水平。然而，目前聲學超構材料的聲學特性研究絕大多數都是基于靜態無流動條件的，對于建筑領域的噪聲抑制，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下，背景場中氣體的流動產生的對流效應和對聲波的折射影響，以及引起結構聲阻抗的變化，這都會影響聲學超構表面的降噪特性。實現聲學超構表面在航空發動機降噪的應用需要解決很多難題。”周杰坦言。

迎難而上，在國家自然科學基金面上項目支持下，周杰承擔的“剪切流場下聲學超構表面的聲學特性研究與降噪結構優化設計”研究正在順利推進中。以大飛機降噪為需求牽引，航空發動機新型聲襯研發為目標，綜合發展理論分析方法和實驗手段，周杰旨在突破原有靜態環境下聲學超構表面設計理論與分析方法在氣動聲學應用領域的局限性，設計開發一種適用于航空發動機降噪的低流動干擾、寬頻強吸聲的聲學超構表面。他的研究將為聲學超構表面材料應用于氣動噪聲降噪領域奠定研究基礎，同時也將有助于拓展聲學超構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用。

“解決航空降噪問題，關鍵在于新材料、新結構的應用，這是國內外的大趨勢，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，所以研發結構功能一體化的輕質、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、最優化的宏觀、細觀、微觀結構，向生物界索取藍圖的道路，大大開闊了人們的視野。采用仿生學原理，設計、制備新型仿生材料，成為迅速崛起的研究領域。順應趨勢，周杰帶領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，與其羽毛的微納結構有關，模仿貓頭鷹羽毛的仿生結構實現噪聲控制，一款薄膜仿生材料被周杰團隊研發出來。這款材料厚度約為25微米，為人類頭發絲直徑的1/3。將這款材料用到發泡材料上，不會增加原有發泡材料的厚度，也不會增加重量，但吸聲能力卻在成倍提高?！靶虏牧?、新結構可拓展的空間極大?！敝芙苷f，“而要打破邊界、沖破限制，既要有對科研不懈的堅持和投入，還要有創新思維和意識，更要具備打破常規的勇氣與魄力?！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?！被貒m僅有3年，但在教學上周杰卻已積攢了一些經驗。

在南安普頓大學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任教，周杰繼續遠程帶學生。這樣的經歷，讓周杰有機會思考師生之間如何教學相長，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方法和態度。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用研究。

周杰認為，教師只是一個引領者，但在創新面前大家都有發言權，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，更容易爆發出驚人的創新能力。“把學生領進科研的世界，給他們自由，讓他們不設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。

周杰支持學生大膽嘗試新想法，也鼓勵他們跳出自己專業的小圈子做交叉研究。參加學術報告，他會建議大家去了解別的研究方向在做什么，引導大家思考如何借鑒其他學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的學生，有做固體材料的學生。還有做AI智能算法的學生。在如此交融的環境下，大家的交流多了，想法也更加活躍了。

在高校工作，周杰認為教學是他最重要的責任。他把教學當成一門藝術，花心思去琢磨，更把自己做科研的理念融入到教學中。雖然教授的是比較基礎的數學課，但他不會單純地只講數學，面向航空航天方向的學生，枯燥地灌輸數學知識，他認為學生們不能完全理解這些知識將來能干什么。告訴學生數學的應用背景，并結合自己的研究做講解，把枯燥的課程變得生動，既提升了學生的學習興趣，又將學以致用，服務國家、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。他與航空工業第一飛機設計研究院合作，進行大飛機艙內噪聲預測、聲品質評價及降噪材料的研發；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。在工程應用方面，目前周杰申請的5個專利，已獲批2個。現在，他正與第一飛機設計研究院共同申請螺旋槳飛機的艙內噪聲測試專利。

不光上天下水，周杰的研究還應用到了與民生密切相關的電力領域，與國家電網公司電網環保重點實驗室、國家電網陜西研究院合作，針對變電站產生的中低頻噪聲，結合實際變電站降噪和通風需求，周杰利用管道聲學理論和聲學超材料理念，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合，提出了一種超構復合矩陣式消聲器，與傳統阻性消聲器相比，在100～400Hz的低頻范圍內，超構復合矩陣式消聲器較傳統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，很好實現了變電站降噪和通風需求。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，飛機或其他領域，周杰的研究正應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，下可服務社會民生，是周杰的科研夢想。為實現夢想，周杰愿用一生孜孜以求。

（責編：李莉）