當(dāng)你乘坐飛機(jī)，飛機(jī)起飛或降落起時(shí)，空姐會(huì)遞來一顆糖果，讓你嚼著吃，這不僅是貼心的服務(wù)，還是對(duì)抗航空噪聲的巧妙設(shè)計(jì)——咀嚼的動(dòng)作可緩解耳壓與噪聲刺激，同時(shí)在一定程度上維持耳部壓力穩(wěn)定。然而，飛機(jī)轟鳴背后，隱藏著更深層的挑戰(zhàn)：高強(qiáng)度噪聲不僅損害乘客和機(jī)組人員的身心健康，更影響飛機(jī)結(jié)構(gòu)的安全和機(jī)載精密儀器的性能，威脅飛行安全。為應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)，世界各國(guó)的航空管理機(jī)構(gòu)和國(guó)際組織紛紛制定飛機(jī)噪聲標(biāo)準(zhǔn)，國(guó)際第五代噪聲適航規(guī)章標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)苛如鐵，而我國(guó)直至2023年才全面采用，技術(shù)差距亟待追趕，成為了我國(guó)大型飛機(jī)進(jìn)軍國(guó)際市場(chǎng)的技術(shù)壁壘。

在此背景下，國(guó)家級(jí)青年人才、西北工業(yè)大學(xué)航空學(xué)院周杰教授，就主要從事航空噪聲預(yù)測(cè)、聲學(xué)超材料、仿生降噪設(shè)計(jì)等研究。為解決國(guó)家航空裝備降噪需求，他聚焦飛行狀態(tài)下降噪材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法不完備、強(qiáng)約束條件下先進(jìn)復(fù)合航空降噪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)難、現(xiàn)有航空降噪材料結(jié)構(gòu)降噪模式單一等航空降噪中的難題開展研究，開展飛行狀態(tài)下航空降噪材料與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，突破傳統(tǒng)降噪設(shè)計(jì)的局限性，為我國(guó)航空飛行器降噪設(shè)計(jì)，解決裝備發(fā)展中的卡脖子問題提供學(xué)術(shù)支撐。周杰助力我國(guó)大飛機(jī)發(fā)展及未來航空裝備的低噪聲設(shè)計(jì)，在航空降噪領(lǐng)域開辟出了一條科技報(bào)國(guó)之路，成為空中的“調(diào)音師”。

科研逐夢(mèng)志高遠(yuǎn)  降噪設(shè)計(jì)譜新篇

周杰，一個(gè)在學(xué)術(shù)道路上不斷攀登的追夢(mèng)人。他本科畢業(yè)于西安交通大學(xué)工程力學(xué)專業(yè)，碩士畢業(yè)于哈爾濱工業(yè)大學(xué)一般力學(xué)專業(yè)。2010年，他遠(yuǎn)赴英國(guó)南安普頓大學(xué)深造攻讀博士學(xué)位，進(jìn)入全球頂尖的航空噪聲研究團(tuán)隊(duì)。這段求學(xué)經(jīng)歷，不僅為他打下了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)，更拓寬了他的國(guó)際視野，讓他在科研的道路上走得更遠(yuǎn)、更穩(wěn)。

博士畢業(yè)后，周杰并未停下腳步，在空客噪聲中心與香港科技大學(xué)先進(jìn)飛行器噪聲中心繼續(xù)深造，將理論知識(shí)與工程實(shí)踐緊密結(jié)合。他深知科研的最終目的是服務(wù)于國(guó)家、服務(wù)于人民，當(dāng)國(guó)家需要他時(shí)，他毅然地選擇回國(guó)，投身于我國(guó)航空飛行器降噪設(shè)計(jì)的研究中。

2019年，周杰加入西北工業(yè)大學(xué)航空學(xué)院從事科研和教學(xué)，短短數(shù)年，他主持國(guó)家自然科學(xué)基金、國(guó)家級(jí)青年人才項(xiàng)目、國(guó)家部委項(xiàng)目等20余項(xiàng)，成果豐碩，影響深遠(yuǎn)。面對(duì)國(guó)外嚴(yán)苛的噪聲適航標(biāo)準(zhǔn)，他帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)圍繞飛行復(fù)雜環(huán)境下飛機(jī)結(jié)構(gòu)噪聲預(yù)測(cè)與降噪設(shè)計(jì)方法展開了深入研究。他們建立了巡航狀態(tài)下外部噪聲通過機(jī)體壁板進(jìn)入飛機(jī)艙內(nèi)的理論模型，解決了復(fù)雜流動(dòng)下現(xiàn)有聲學(xué)超結(jié)構(gòu)聲阻抗表征不準(zhǔn)確、波控角度畸變等問題，提出了飛行條件下降噪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與評(píng)估方法，以及聲載荷的高精度識(shí)別。

在飛行狀態(tài)下壁板隔聲的研究中，周杰團(tuán)隊(duì)分別建立了巡航時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲和湍流邊界層噪聲通過機(jī)體壁板進(jìn)入飛機(jī)艙內(nèi)的理論模型，實(shí)現(xiàn)了艙內(nèi)噪聲水平的快速評(píng)估，并揭示了流動(dòng)對(duì)艙壁結(jié)構(gòu)各種聲學(xué)特征頻率的影響規(guī)律。他們還開展了機(jī)體壁板在飛行條件下的多目標(biāo)優(yōu)化研究，獲得了飛行高度、內(nèi)外壓力差等因素對(duì)艙壁降噪優(yōu)化的影響規(guī)律，為中航工業(yè)一飛院開發(fā)了一套優(yōu)化程序。此外，他們還開發(fā)了一種在全頻段具有優(yōu)秀隔聲性能的納米顆粒增強(qiáng)碳纖維雙壁板結(jié)構(gòu)，為降噪設(shè)計(jì)提供了新的思路。

在流動(dòng)下降噪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與性能預(yù)測(cè)方面，周杰團(tuán)隊(duì)建立了流動(dòng)條件下聲學(xué)超材料聲場(chǎng)預(yù)測(cè)模型，拓展了流動(dòng)下廣義斯涅耳定律，揭示了馬赫數(shù)及雷諾數(shù)對(duì)聲學(xué)超材料聲學(xué)性能的影響機(jī)制，提出了考慮外部流動(dòng)馬赫數(shù)及雷諾數(shù)影響的聲學(xué)超材料設(shè)計(jì)方法。他們還構(gòu)建了粘性剪切流動(dòng)下的等效聲阻抗計(jì)算模型，并基于多模態(tài)方法發(fā)展了帶聲襯結(jié)構(gòu)管道聲場(chǎng)預(yù)測(cè)模型，有效評(píng)估了聲襯結(jié)構(gòu)流動(dòng)下的降噪性能。這些研究成果，為后續(xù)新型聲學(xué)結(jié)構(gòu)在氣動(dòng)噪聲問題中的應(yīng)用奠定了理論基礎(chǔ)。

先進(jìn)結(jié)構(gòu)巧設(shè)計(jì)  航空降噪啟新程

隨著航空裝備向高集成化方向演進(jìn)，艙內(nèi)狹小空間對(duì)降噪結(jié)構(gòu)的厚度限制愈發(fā)嚴(yán)苛，而低頻噪聲抑制的需求卻持續(xù)增加。傳統(tǒng)的降噪方案面臨諸多挑戰(zhàn)，如多孔吸聲材料需要通過大厚度堆疊來提升低頻效率，導(dǎo)致飛行器的有效空間顯著降低;聲學(xué)超材料雖具有亞波長(zhǎng)聲波調(diào)控能力，但其周期排布規(guī)律與復(fù)雜曲面結(jié)構(gòu)存在幾何適配性問題。針對(duì)這些問題，周杰帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)開展了先進(jìn)航空降噪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的研究。

他們建立了三維聲學(xué)超表面和曲面聲學(xué)超表面聲場(chǎng)理論預(yù)測(cè)模型，揭示了單元空間排布以及結(jié)構(gòu)曲率對(duì)聲學(xué)超構(gòu)材料的影響規(guī)律，提出了寬頻強(qiáng)吸聲的超表面結(jié)構(gòu)的周期尺度約束條件。基于航空超輕多孔材料，他們?cè)O(shè)計(jì)了多型適用于航空飛行器噪聲抑制的新型降噪結(jié)構(gòu)，突破了現(xiàn)有航空多孔材料的降噪極限，解決了狹小空間下航空飛行器低頻噪聲抑制難的問題。他們還改進(jìn)了多孔宏-微觀參數(shù)關(guān)聯(lián)模型，實(shí)現(xiàn)了對(duì)多種泡沫材料的低成本快速聲學(xué)表征，并開發(fā)了基于CNN-GA的混合優(yōu)化框架，實(shí)現(xiàn)了對(duì)超泡沫結(jié)構(gòu)的加速逆向設(shè)計(jì)。

這些研究成果，不僅提高了降噪結(jié)構(gòu)的性能，還降低了成本，為航空飛行器降噪設(shè)計(jì)提供了新的解決方案。它們被廣泛應(yīng)用于大飛機(jī)、直升機(jī)、水下裝備等國(guó)家重大裝備的新型降噪設(shè)計(jì)中，相關(guān)技術(shù)也應(yīng)用于國(guó)家電網(wǎng)、陜西省天然氣公司等重要民生領(lǐng)域的減振降噪中，取得了顯著的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

多機(jī)制材料巧融合  降噪創(chuàng)新領(lǐng)風(fēng)騷

低頻噪聲的高效控制是航空裝備減振降噪技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵瓶頸。傳統(tǒng)吸聲材料的聲能主要通過熱黏性進(jìn)行耗散，但低頻聲波具有較長(zhǎng)的波長(zhǎng)和高穿透性，多孔材料孔隙尺度與聲波尺度不匹配導(dǎo)致粘滯損耗效率急劇下降。針對(duì)這一問題，周杰帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)開展了多機(jī)制降噪材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的研究。

他們探索了新型的聲能轉(zhuǎn)換和耗散機(jī)制，以打破傳統(tǒng)多孔材料只能通過粘滯、界面摩擦和結(jié)構(gòu)阻尼效應(yīng)來實(shí)現(xiàn)聲能耗散的局限性。他們建立了可預(yù)測(cè)具有壓電效應(yīng)的新型多孔壓電泡沫材料吸聲性能的聲學(xué)理論模型，揭示了多孔壓電材料聲學(xué)性能優(yōu)于傳統(tǒng)多孔材料的聲能耗散機(jī)理。他們還設(shè)計(jì)了一種具有輕質(zhì)、超薄的聲能摩擦納米發(fā)電機(jī)，有效解決了聲能收集和轉(zhuǎn)換效率低下的問題。此外，他們還提出了一種納米纖維薄膜復(fù)合多孔材料的新型仿生復(fù)合吸聲結(jié)構(gòu)，大幅度提升了原有泡沫材料的吸聲性能。

在結(jié)構(gòu)功能一體化的多功能聲學(xué)超材料研究方面，周杰團(tuán)隊(duì)聚焦于聲學(xué)超材料的聲學(xué)、振動(dòng)和力學(xué)等多功能集成特性研究，發(fā)展了先進(jìn)聲學(xué)降噪材料的多功能設(shè)計(jì)方法。他們提出了基于仿生的手性多功能聲學(xué)超材料，通過構(gòu)建的聲阻抗理論模型深入揭示了其聲能耗散機(jī)制。通過隔振和減振模擬及實(shí)驗(yàn)測(cè)試，他們驗(yàn)證了其低頻隔振和面內(nèi)彈性波衰減性能。這些研究成果，為有限空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)低頻聲振一體化的高效降噪提供了一種全新的技術(shù)方案。

科研報(bào)國(guó)志不渝，砥礪前行創(chuàng)輝煌。站在新時(shí)代航空技術(shù)的潮頭，周杰的目光投向了更深遠(yuǎn)處，未來，他將繼續(xù)帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)深耕航空噪聲研究領(lǐng)域，不斷探索新的降噪技術(shù)和方法，為我國(guó)航空事業(yè)的蓬勃發(fā)展貢獻(xiàn)更多的力量。相信在周杰的帶領(lǐng)下，我國(guó)的航空飛行器降噪設(shè)計(jì)將迎來更加輝煌的明天。

“航空噪聲研究是一場(chǎng)與分貝的馬拉松，每個(gè)突破都是對(duì)舒適與安全的承諾?！敝芙苋缡钦f。在他心中，科研不僅是理論和技術(shù)的推導(dǎo)，更是護(hù)航大國(guó)重器翱翔九天的使命擔(dān)當(dāng)。當(dāng)更多中國(guó)大型飛機(jī)劃破云霄的轟鳴漸趨靜謐，世界聽見的，是中國(guó)智造的低吟淺唱。

文：張霞

來源：西北工業(yè)大學(xué)供圖供稿