此时无声胜有声——记北京大学工学院航空航天工程系特聘研究员吕本帅

倪海波

高铁风驰电掣，飞机冲入云霄，现代人的出行拥有前所未有的速度。三峡电站气势磅礴，哈密风场绵延不绝，新型能源为社会不断注入绿色动力。工业让现代的生产更加高效，生活更加便利，但同时也产生了无处不在的噪声污染。多年来，北京大学工学院航空航天系特聘研究员吕本帅致力于声学相关领域的研究，在航空及能源领域的气动声学研究中取得了一系列成就，为喷气式飞机与风机等设备的噪声控制作出了重大贡献。

好奇·走近物理

如果用一个词来总结童年的吕本帅对大千世界的小小态度，那便是好奇。“什么是电，它是怎么来的？”“马达为什么会旋转？”“电视的声音从哪里来？”在他小小的眼睛里，由金属和导线制作的一个个方块像潘多拉魔盒一样，蕴含着巨大而神奇的魔力，吸引着他不停地想往深处探个究竟。假如你推开他童年卧室的房门，映入眼帘的一定是满地狼藉：被拆得七零八落的钟表、收音机甚至电视机。尚显稚嫩的他盘腿坐在地上，专注地研究着每一个零件。“虽然多数时候很多东西根本没办法拼回去，但能把盒子拆开看看有什么就已经大大满足了我小时候的好奇心。”谈到此处吕本帅不由笑道。

对于吕本帅来说，因为这些奇奇怪怪的小问题如此有趣，当开始接触到能够回答这些问题的物理学科时他就如获至宝。哥哥姐姐的物理教材，吕本帅已经不知道翻了多少遍，并且每一次重读都能有一些新的收获。在逐渐找到各个问题答案的过程中，吕本帅对物理产生了浓厚的兴趣。

2008年，吕本帅考入南京大学声学专业。始建于1902年，南京大学的前身曾是有民国最高学府之称的“国立中央大学”，拥有门类齐全的学科设置。中华人民共和国成立后全国院系调整，南京大学逐渐成长为以文理见长的综合性重点大学。作为国内综合类院校中唯一的本科专业，南京大学的声学曾单独从物理系划分出来，后根据新时期学校院系改革方案，声学专业以声科学与工程系重新回到物理学院。当吕本帅进入南京大学时，就仿佛拿到了打开物理大门的钥匙，得以进入其中并踏上声学的学习道路。在浓厚研习氛围的浸润下，吕本帅的学习也格外勤奋，本科4年始终保持着专业第一名的好成绩，为其后的声学研究打下了坚实的基础。

吕本帅

求学·潜心钻研

“如果说在南京大学的4年是一段充实的旅行，让我打下了牢固的数学和物理基础，那么在剑桥大学的7年则更像一场虔诚的修行，让我能够在一个选定的方向走得很远。”吕本帅回忆自己的研究历程时说道。2013年，本科毕业后的吕本帅决心前往英国剑桥大学继续攻读硕士和博士学位。关于选择剑桥大学的原因，吕本帅拥有清醒的认知。剑桥大学作为气动声学这一学科的发源地，汇集了一批气动声学领域的权威学者，无论是研究水平还是教育资源，这里都是金字塔的顶端，是气动声学研究最理想的去处。

事实证明他的选择没有错。在气动声学权威学者的指导与全额硕博奖学金的资助下，吕本帅得以在剑桥大学心无旁骛地认真钻研，并在气动声学领域迅速崭露头角，通过一系列重要成果获得了领域内的一致认可。

“我在硕士时期研究的是风力发电机等领域前缘和尾缘噪声的问题。”介绍留学经历时吕本帅说道，“想必大家都注意过在风中呼啸转动的风机叶片。空气在沿风机叶片表面流动时会形成一个薄薄的空气层，层内的湍流会跟叶片的尾缘相互作用产生尾缘湍流噪声，这便是风机噪声的主要来源。”研究发现将叶片尾缘的形状由直线状改为锯齿状，可有效地降低尾缘湍流噪声。那么到底是什么样的物理机制导致了降噪？能不能建立数学模型来准确地预测其降噪效果，进而达到指导风机降噪设计的目的？硕士时期的吕本帅下决心解决的就是这些重要的问题。经过一年的潜心研究，吕本帅成功解决了前缘和尾缘噪声领域中积存长达25年的数学问题，建立了更为准确的前尾缘湍流噪声数学模型，揭示了长期未有定论的前尾缘噪声控制的物理机理，给工业界设计锯齿的大小提供了明确的指导。该成果发表后，在国际上受到高度评价。世界最大的风机制造商维斯塔斯曾主动联系吕本帅所在的研究组，开展一系列合作研究。

2017年与诺贝尔物理学奖得主Kip Thorne（左一）和Barry Barish（左三）在加州理工学院

博士期间，吕本帅跟随导师在气动声学领域进一步深耕。吕本帅的博士生导师是前英国皇家工程院院长Dame Ann Dowling（安道琳）教授。安道琳教授不仅是气动声学领域的世界权威，而且还是英国皇家学会会士、英国工程院院士，美国、法国、中国工程院外籍院士，曾获得大英帝国勋爵士等重要奖项，在气动声学领域拥有丰富的经验和极高的见识。作为安道琳院士的最后一位学生，吕本帅得到了导师专业且耐心的指导，在攻读博士的3年里在气动声学领域做出了突破性的成果。

吕本帅博士期间研究的是喷气式飞机的噪声问题。早在20世纪50年代，人们就发现由航空发动机喷流产生的噪声是整架飞机最主要的噪声来源。为了单独研究这部分噪声，当时人们采取的解决办法是将飞机的发动机“拆下来”送到相关的实验室进行单独研究，等研究人员认为对喷流噪声有了深入的理解并对发动机进行了相关优化之后，再将其“装回”到飞机上。然而，到了20世纪70年代，研究人员将优化过的发动机重新“装回”到机身上时，却发现发动机工作时的喷流噪声能量不仅没有下降，反而在低频增加了不止10倍。

为什么发动机的喷流噪声能量不降反增，且增加10倍之多？在与导师的讨论中，吕本帅推测这部分能量很有可能来自于一个全新的声源。在这个思路下，吕本帅考虑到这可能与喷流中不稳定波的散射有关，而这一直是大部分研究该问题的学者所忽略的。想到这里他非常兴奋，于是立即开始推演，很快便建立了能够描述这个新声源的理论模型。果然，新的模型很好地复现了实验结果。在发现这种新的噪声源后，吕本帅又进行了一系列相关验证实验，最终实验的结果和理论模型的预测几乎完全吻合，切实地验证了这个新声源的推断。这些成果获得了国际同行的高度评价，在领域内最重要的国际气动声学年会上从众多工作中脱颖而出，斩获了当年唯一的最佳学生论文奖。

与导师Ann Dowling在剑桥

求学生涯结束后，吕本帅继续留在剑桥大学从事博士后研究工作。这个时期，他延续了前尾缘湍流噪声的研究。在硕士阶段的工作中，他用数学模型解决了锯齿的长度和宽度的最优设计问题，但仍有重要的工作还未得到解决：不同的锯齿形状对降噪效果有什么影响？能够产生降噪效果的最佳锯齿形状又是怎样的？通过对数学模型的渐进分析，吕本帅证明了最优齿形应该满足的数学条件，并据此提出了全新的具有更优越降噪效果的新型Ogee齿形结构。在理论结果的指导下，吕本帅进行了实验验证，结果表明在锯齿的长度和宽度都不变的情况下，仅仅将锯齿的形状改变成新的Ogee形状，便能得到高达8个分贝的额外降噪效果，有力验证了理论分析的正确性。该成果在气动声学及其相关的应用领域内产生了广泛的影响，它不仅可用于风机叶片的降噪，对于无人机、直升机、风扇等设备的降噪研究工作同样具有重要意义。

归国·学以致用

在国外求学和从事研究工作期间，吕本帅凭借一个又一个突破性的研究成果渐渐吸引了学界和业界的关注。在外人看来，他如同一颗冉冉升起的学术新星，必将在气动声学领域大展宏图。然而就在身边人以为他会继续留在国外发展事业的时候，他却选择了回国。对于这一步选择，吕本帅坦承自己早就有所规划。“当年决定前往剑桥大学留学的时候，就想好了出国的目的是为了学习气动声学领域的先进知识并且开拓视野，最终一定是要回来的。”吕本帅说道，“这么多年即使适应了国外的饮食、语言等习俗，但始终有种浮于表面的感觉，对故土的依恋是深深刻在每一个汉字、每一味佳肴以及每一寸山河里的。尤其在不经意间，看到父母的两鬓已然在自己远渡重洋的8年间青丝成雪时，更加坚定了我回国的选择。”

“除了感情因素的考量外，我觉着国内也正处在一个蓬勃发展的机遇期，拥有很多机会，如果能亲眼见证国家的发展，或者能在这个过程中做一点微不足道的贡献，那就真的很满足了。”吕本帅说道。随着世界科技的发展，欧美多国对航空噪声的要求愈发严格，并率先制订了较高的相关标准，“如果我国制造的飞机噪声标准不达标，将因不能取得适航许可而无法在相关国家的机场起飞降落。”吕本帅颇为严肃地解释道。由此来看，我国在航空噪声领域的发展需求已经到了相当紧迫的程度。

回国后的吕本帅选择加入我国流体力学研究底蕴深厚的北京大学，并顺利入选高层次人才计划青年项目，在相关部门支持下从事交通与能源领域的一系列气动声学研究工作，力图通过研究成果为我国交通与能源领域的噪声控制作出贡献。

在交通领域，除了航空噪声，吕本帅的研究还涉及高铁等的噪声问题。众所周知，多年来随着技术的发展，我国高铁无论是在速度还是舒适度方面都走在国际前列，然而噪声却一直是该领域的棘手问题。在我国一些高铁经过的居民区或者生态保护区，为了降低噪声影响，往往会在轨道附近建立噪声屏障。然而，高铁噪声屏障的造价之高超乎普通人的想象。更为重要的是，随着我国高铁的不断提速，噪声屏障又将面临重新建造。因此，更为长远、有效和低成本的办法是在源头上降低高铁的噪声，这也是吕本帅回国后重点关注的研究方向之一。在能源领域，降噪的需求也同样紧迫。以风能为例，当前风力发电机在工作时产生的噪声已成为阻碍大规模风场建设的关键因素之一。“通过给风机降噪能较大地促进我国风力发电事业的发展，尽早实现我国电力结构改革和碳中和目标，这也将会是我今后研究的重点。”吕本帅不无坚定地说道。

吕本帅在北京大学的研究组以波动物理命名，意在研究一系列与波动相关的物理问题。例如，除气动声学相关的研究外，吕本帅还进行着流体不稳定性以及发动机的热声不稳定问题的研究。航空与火箭发动机通过燃烧燃料产生动力。然而或许令大家感到意外的是，不稳定燃烧的火焰也会产生声波，这种声波会反过来影响火焰燃烧的不稳定程度。当这种反馈是正向反馈时，火焰会越发不稳定，进而声波压力脉动越发剧烈。如果声波压力幅值不断增大到超出结构的承受范围，则会出现机毁人亡的事故。在吕本帅回国后的研究规划中，也包括对这种热声不稳定问题的机理与控制研究。

2018年博士毕业典礼时与父母在剑桥大学休斯学堂主楼前合影

教育·薪火相传

吕本帅很清楚，中国气动声学研究领域的发展是需要一代又一代学者一起向前推进的。因此在个人研究规划之外，他对教育也有着清晰的认知与认真的规划。“要做出一流的原创科研成果，必须培养具备扎实的数学物理和气动声学理论基础的学生。”为此，吕本帅专门从英国购入了物理及声学领域的英文原版经典教材，凡是他的学生，基本都会人手一本。在他看来，学生们只有将物理与声学的基础打牢了，才能真正理解研究问题的物理本质，抓住问题的主要矛盾，形成一定的物理直觉，在基础概念、理论、方法和技术的创新上获得突破。

“我国的气动声学虽然起步较晚，但通过一代代研究人员的不断努力，我们将有希望在该领域取得不断进步，在未来赶上甚至超过国际先进水平。”吕本帅说道。而这，不仅是老一辈研究人员的希望，也将是他不懈努力的方向。