你是否曾因无人机的嗡嗡声感到烦躁？来自中山大学的研究团队，从猫头鹰的羽毛结构中汲取灵感，研制出多种锯齿后缘仿生螺旋桨，实现了显著的气动噪声降低，最优化方案降噪达4.4 dBA！这项发表于《Applied Acoustics》（2024）的研究，不仅揭示了其背后的流动机理，更为未来低噪声低空飞行器提供了工程可行路径。
多旋翼无人机因灵活性高、垂直起降能力强，已被广泛应用于物流、测绘、农业植保和军事侦察等领域。然而，其噪声问题始终是制约进一步推广的关键因素。已有实测研究表明，无人机噪声主要来源于旋翼旋转所产生的气动噪声，尤其以宽频噪声成分为主，传统桨叶外形优化降噪效果已趋瓶颈。
猫头鹰在进化中获得了近乎无声的飞行能力，使其能在夜间悄无声息地接近猎物。这一能力主要源于其翅膀羽毛的三类独特结构：前缘梳状结构；后缘锯齿结构；天鹅绒般的多孔表面
图1：自然界静音飞行大师猫头鹰羽毛特点
其中，后缘锯齿结构被认为在破坏涡旋、加速涡脱落和抑制噪声方面起到关键作用。本研究聚焦于这一结构，将其仿生应用至小型无人机螺旋桨的后缘设计。
团队采用计算流体力学（CFD）结合大涡模拟（LES） 方法，对加装不同锯齿后缘的螺旋桨进行非定常流场模拟，并利用Lighthill声类比理论预测噪声。
图2：数值模拟设置 | 显示旋转域与静态域的网格划分及螺旋桨表面网格
同时，为验证仿真结果并系统评估真实性能，研究开展了详尽的实验测试，使用高精度麦克风阵列和力传感器，测量了多种锯齿参数（包括形状、高度、覆盖比例、齿形半径等）对噪声和推力/功率特性的影响。
图3：实验现场照片 | 消声室内的螺旋桨测试平台及麦克风布置示意图
图4 9450S基准螺旋桨及各种锯齿设计的螺旋桨
研究结果：降噪与效能如何兼得？
最优参数组合：研究表明，采用圆形锯齿（锯齿比λ=0.9，齿顶半径0.3 mm，50%覆盖范围）的螺旋桨表现最佳。在350g推力条件下，相比基准桨，噪声降低4.4 dBA，宽频噪声显著削弱。
流场机理揭示：数值模拟结果清晰显示，锯齿结构能有效切割和打碎桨尖处的大尺度涡旋，使其更快破碎和耗散。同时，尾流区涡结构的碰撞和混合增强，改变了噪声产生机制，从而实现降噪。
图5：涡结构对比 | Q准则显示的基准桨与锯齿桨的三维涡结构等值面图
推力-功耗平衡：尽管加装锯齿结构会轻微增加桨叶重量和功耗，但最优设计在实现显著降噪的同时，功耗仅增加4.8%，展现了良好的工程应用潜力与效费比。
该研究不仅通过仿生设计给出了具体的低噪声螺旋桨优化方案，更从流体力学机理层面深入解释了“锯齿为何能静音”。这为下一代无人机、风扇、风机等旋转机械的低噪声化设计提供了坚实的理论依据和设计数据库。
未来，团队计划进一步优化锯齿的分布形式与“人字形”仿生设计，有流声学超表面的设计，以及AI技术的辅助，适合未来空中交通系统的低噪声低空飞行器方向探索。
原文信息：
Yijuan Gu, et al. "Numerical and experimental studies on the owl-inspired propellers with various serrated trailing edges", Applied Acoustics, 2024. DOI: 10.1016/j.apacoust.2024.109948
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