航空噪声的“调音师”——记西北工业大学航空学院教授周杰

李明丽

飞机作为一种便捷的交通工具，缩短了旅人去往目的地的时间，但飞机噪声充斥耳间，成为美好旅程的“负”属品，特别是在起飞和降落阶段，尤其以国际航线更明显。其实，不管是民用飞机还是军用飞机，无论是舱内噪声还是舱外噪声，高强度的噪声不仅会影响乘客、机组人员、作战人员的身心健康，更会影响飞机结构的安全和机载精密仪器的性能，对飞行安全、战斗力产生极大影响。半个多世纪以来，美、欧等国和地区投入了大量资源研究飞行器的噪声问题，并制订了长远计划，为实现所设定的降噪目标，甚至开始探索新的降噪措施。

中国对航空噪声的研究虽起步稍晚，但伴随首款大型客机C919的首飞和大型军用运输机运-20的列装，对其的重视程度也在增强。我国的大飞机要打入国际市场，必须满足各个国家及地区所设定的噪声适航标准。为提升大飞机的舒适性，打破国际噪声适航条款的技术壁垒，我国采取了一系列积极行动，如成立联合实验室、开辟独立的飞机噪声研究方向、借鉴国外的先进研究模式等，旨在能在航空噪声研究与抑制上取得飞速进展。

长期从事航空噪声研究，在飞机舱内振动噪声的预测与抑制、飞机降噪材料设计、短舱气动噪声预测与抑制、声学超材料、仿生降噪在工程中的应用研究等多个方向开展研究，周杰负笈海外多年，2019年甫一回国，他就切身感受到国家对航空噪声研究的高度重视和支持力度。入职西北工业大学航空学院，乘势而上，奉献所学，周杰愿为国家航空噪声研究水平的提升贡献一份力量。用研究成果解决工程实际问题，周杰更希望所做工作能伴随国家需求上天入海，应用到社会生活的方方面面。

儿时梦想照进现实

热血少年似乎对航空航天有天然的兴趣，周杰亦如是。年少时看着亲手制作的航模飞向湛蓝的天空，他心中溢满兴奋与骄傲。长大后，无论是在哈尔滨工业大学读硕士，做卫星隔振研究；还是在英国南安普顿大学读博士，做航空噪声研究，虽然没有直接参与航天器的“飞”，但周杰所从事工作总算是与航空航天建立了联系。

周杰是学力学出身，虽所学基础专业与航空航天没有直接关联，但从进入西安交通大学工程力学专业上大学时起，他就从招生宣传册上了解到力学可以应用到航空航天工程上去。因为力学是一门基础学科，类似于数学，是一种工具，可以解决各行各业的许多问题。

周杰在“第十三届全国振动理论及应用学术会议”上作分会邀请报告

中国在世界力学界有著名的“两刚两健”。即锁志刚、黄永刚、高华健、卢天健，除黄永刚外，其余3人均毕业于西安交通大学力学系。向前辈们学习，周杰在西安交大度过了充实的大学时光。毕业在即，对工程应用研究感兴趣的他，被保送到哈尔滨工业大学做振动研究，跟随黄文虎院士完成学业后，他又出国到做振动噪声研究的世界名校英国南安普顿大学继续深造，从此与航空噪声研究结缘，也坚定地走上了解决工程实际问题的探索之路。

留学南安普顿大学是周杰人生中的一段重要经历。那里有先进的实验技术，尤其声学风洞处于国际领先，世界各地的科学家来此学习、交流的同时也带来了新的知识与经验，这让周杰获益匪浅。在那里开展的工程应用性研究，更让周杰有了近距离贴近工程实际问题的机会。

南安普顿大学空客噪声中心承担了许多空中客车公司（Airbus，简称“空客”）的项目，周杰有幸参与其中。用新型的发泡类材料替换原来填充在飞机机舱侧壁板里有隔热、隔声作用的传统玻璃纤维棉材料是空客的目标。如何选择合适的发泡材料，采用何种构型收到的隔声效果更好？这需要开发快速预估代码进行评测。“飞机侧壁板是一种三明治结构，外层是铝合金蒙皮，中间是隔热、隔声层，也可以加空气层。内层是装饰板，就是我们在飞机里能看到的内部装饰。对这种三明治结构在巡航状态下的隔声能力进行评估，要考虑新型材料的各种声学参数，包括它的微结构尺度，还有相互之间的连接方式等。”周杰介绍。

为开展巡航状态下飞机舱内噪声的预测，周杰做了大量细致入微的工作。从理论入手，他建立了外界湍流通过三明治结构机体进入飞舱内的模型，便捷有效评估了舱内噪声水平的同时，利用泡沫微结构与宏观声学参数的关系，通过此理论模型还可以合理地选择实际的泡沫材料以达到更高的传声损失。在此基础上周杰还开发了一套优化程序，针对特定的目标要求，能够快速有效得到最优声学结构以达预期的降噪水平。周杰所做工作得到了空客的认可，回国后，他更将这些研究成果用到了航空领域行业课题“大型飞机舱内声环境预计与声品质评价研究”的问题解决中。

在对隔声材料做评测的同时，周杰也在着手研究新型材料，尤其到博士后阶段，他将工作侧重点放在超材料研究上，用超材料的设计理念提升原有多孔材料的吸、隔声性能，进一步降低飞行器的噪声，为下一代隔声方案做技术储备。

在南安普顿大学的8年，周杰迅速成长，他的视野得以开阔，应用研究取得巨大进展，基础研究触及前沿。周杰在国外所做的积累紧密契合了国内需求，为用所学回报祖国，2019年一回国入职西北工业大学后，他与航空院所、各类企业的合作就紧锣密鼓地展开了。

在声学局限中寻突围

西北工业大学航空学院历史悠久，被誉为“中国航空器总设计师的摇篮”。坚持前沿基础研究与服务重大工程并重，重点围绕航空航天科技前沿和国家战略科技力量发展重大需求，着力攻克关键核心技术，学院参与了我国绝大部分重点飞机型号的研制工作，为推动我国航空事业跨越式发展和建设航空强国作出了突出贡献。西北工业大学航空学院的实力，周杰早已有所耳闻，因而在选择回国的工作单位时，毫不犹豫地选择了它。

航空学院坚持人才强院战略，鼓励开展原创性研究和新兴交叉方向探索，为周杰开展科研工作提供了不遗余力的支持。安排实验场地，配套实验室建设经费，搭建专业实验设备，提供足够多招生指标，回国3年，周杰的实验室发展很快，团队也有了一定规模。

回国后的周杰，生活节奏比国外要快很多，他承担了航空工业和中国商飞资助的多个大飞机降噪技术研究，主持了包括国家自然科学基金、基础加强技术领域基金等各类振动噪声预测与控制项目十余项。周杰虽忙碌但感到很充实，因为他心中有种紧迫感。

2021年教师节，周杰（前排右四）和课题组学生合影

“我国在航空声学方面已经做了大量的研究，但相对于国外我们还处在追赶阶段。我国的噪声适航标准与国外相差一代。目前欧盟和美国执行的飞机噪声适航标准是第五代，而我国执行的仍为第四代标准。我国的大飞机如果想打入国际市场，就必须满足各个国家及地区所设定的噪声适航标准。虽然C919现在是按照第五代噪声试航标准在研发，能满足现行阶段的国外噪声试航标准，但实际上，我在南安普顿大学空客噪声中心时，他们已经为第六代标准做技术储备了。”在国外多年，周杰深知国内外存在的差距。

为了提升我国大飞机的舒适性，打破国际噪声适航条款方面的技术壁垒急需在飞机噪声抑制方面有所突破。近年来，国际上出现了具有反常性质的超构材料，即在亚波长尺度上对结构或者材料进行有序的设计，来获得超出自然界固有的普通性质的超常材料功能，其中就包括用于吸声的声学超构表面材料。鉴于声学构超材料在噪声控制方面表现出的优异潜质，国外已经开始探索其在航空降噪方面的应用，为实施下一代的噪声适航标准做准备。如欧盟于2017年，在地平线H2020框架下设立了题为“基于超材料的先进飞机降噪技术”（AdvancEd aicRaft-noIse-AlLeviation devIceS using meTamaterials）的项目，德国和加拿大政府支持空客公司与国际声学公司迈克纳米（Mecanum）及明尼苏达矿务及制造业公司（3M公司）等于2018年设立了题为“新型隔声超材料在航空降噪应用研究”（New Acoustic Insulation Metamaterial Technology for Aerospace Applications）的项目。

为赶超国际，实现自我创新，国内科学家各自找准方向纷纷投入对声学超构材料的研发中。周杰则将关注点放在如何用声学超构表面材料解决航空发动机降噪这类工程问题上。“航空发动机作为大飞机噪声的主要来源之一，能否得到有效抑制，直接决定了我国在航空降噪领域的研究能力与技术水平。然而，目前声学超构材料的声学特性研究绝大多数都是基于静态无流动条件的，对于建筑领域的噪声抑制，它是可行的，但对于运载工具，特别是高速运动的飞机、载人飞船等，其处在一个高速运动的状态下，背景场中气体的流动产生的对流效应和对声波的折射影响，以及引起结构声阻抗的变化，这都会影响声学超构表面的降噪特性。实现声学超构表面在航空发动机降噪的应用需要解决很多难题。”周杰坦言。

迎难而上，在国家自然科学基金面上项目支持下，周杰承担的“剪切流场下声学超构表面的声学特性研究与降噪结构优化设计”研究正在顺利推进中。以大飞机降噪为需求牵引，航空发动机新型声衬研发为目标，综合发展理论分析方法和实验手段，周杰旨在突破原有静态环境下声学超构表面设计理论与分析方法在气动声学应用领域的局限性，设计开发一种适用于航空发动机降噪的低流动干扰、宽频强吸声的声学超构表面。他的研究将为声学超构表面材料应用于气动噪声降噪领域奠定研究基础，同时也将有助于拓展声学超构表面材料在超声速飞行器、高速列车及水下航行器等运载工具在实际运行中的降噪应用。

“解决航空降噪问题，关键在于新材料、新结构的应用，这是国内外的大趋势，由于航空降噪材料所受限制较多，既要耐高低温、抗潮湿，又要耐火、抗冲击，所以研发结构功能一体化的轻质、高效材料是趋势中的趋势。”周杰介绍。

自然进化使得生物材料具有最合理、最优化的宏观、细观、微观结构，向生物界索取蓝图的道路，大大开阔了人们的视野。采用仿生学原理，设计、制备新型仿生材料，成为迅速崛起的研究领域。顺应趋势，周杰带领团队着手开展仿生降噪材料研究。

人类飞行在模仿鸟类，而静音飞行主要模仿猫头鹰，猫头鹰飞起来没有声音,与其羽毛的微纳结构有关,模仿猫头鹰羽毛的仿生结构实现噪声控制，一款薄膜仿生材料被周杰团队研发出来。这款材料厚度约为25微米，为人类头发丝直径的1/3。将这款材料用到发泡材料上，不会增加原有发泡材料的厚度，也不会增加重量，但吸声能力却在成倍提高。“新材料、新结构可拓展的空间极大。”周杰说，“而要打破边界、冲破限制，既要有对科研不懈的坚持和投入，还要有创新思维和意识，更要具备打破常规的勇气与魄力。”为了拓展自己研究的边界，周杰正全力以赴。

把论文写在祖国大地上

在网上，周杰的个人主页写着这样一句话：“欢迎有志青年来报考硕士生、博士生，我们一起做有意思的事情。”回国虽仅有3年，但在教学上周杰却已积攒了一些经验。

在南安普顿大学跟随张欣老师做博士后时，周杰已在帮老师带博士生。之后张老师前往香港科技大学任教，周杰继续远程带学生。这样的经历，让周杰有机会思考师生之间如何教学相长，尤其张欣老师对他的评价，直接影响他真正成为老师后的教学方法和态度。张欣老师曾说，周杰帮他开辟了一个新的方向，因为原来课题组只从事流体力学和气动噪声研究，正是在遇到周杰后，课题组开始了超材料在降噪方面的应用研究。

周杰认为，教师只是一个引领者，但在创新面前大家都有发言权，尤其20岁～30岁之间的年轻人，思想最活跃，想法特别多，点子尤为新奇，初生牛犊不怕虎，更容易爆发出惊人的创新能力。“把学生领进科研的世界，给他们自由，让他们不设限地去尝试那些天马行空的想法。他们的思维开阔了，固化在老师思维中的一些樊篱也会被冲破，创造力带来的能量和愉悦是大家共同珍视的东西。”周杰说。

周杰支持学生大胆尝试新想法，也鼓励他们跳出自己专业的小圈子做交叉研究。参加学术报告，他会建议大家去了解别的研究方向在做什么，引导大家思考如何借鉴其他学科的知识去丰富自己的研究。为了让交叉水到渠成，周杰组建团队时也刻意做了一些安排，团队中有做流体力学的学生，有做固体材料的学生。还有做AI智能算法的学生。在如此交融的环境下，大家的交流多了，想法也更加活跃了。

在高校工作，周杰认为教学是他最重要的责任。他把教学当成一门艺术，花心思去琢磨，更把自己做科研的理念融入到教学中。虽然教授的是比较基础的数学课，但他不会单纯地只讲数学，面向航空航天方向的学生，枯燥地灌输数学知识，他认为学生们不能完全理解这些知识将来能干什么。告诉学生数学的应用背景，并结合自己的研究做讲解，把枯燥的课程变得生动，既提升了学生的学习兴趣，又将学以致用，服务国家、民生，用研究成果解决工程实际问题的科研理念传递了出去。

不只限于在课堂上传播这样的科研理念，在科研实践中周杰也是这样做的。他与航空工业第一飞机设计研究院合作，进行大飞机舱内噪声预测、声品质评价及降噪材料的研发；与中国船舶重工集团公司第七〇一研究所合作，做水下航行器降噪材料的研发。在工程应用方面，目前周杰申请的5个专利，已获批2个。现在，他正与第一飞机设计研究院共同申请螺旋桨飞机的舱内噪声测试专利。

不光上天下水，周杰的研究还应用到了与民生密切相关的电力领域，与国家电网公司电网环保重点实验室、国家电网陕西研究院合作，针对变电站产生的中低频噪声，结合实际变电站降噪和通风需求，周杰利用管道声学理论和声学超材料理念，将“回”形空腔的中低频吸声特性和多孔材料的高频吸声特性进行了结合，提出了一种超构复合矩阵式消声器，与传统阻性消声器相比，在100～400Hz的低频范围内，超构复合矩阵式消声器较传统阻性消声器的降噪性能得到明显提升，传声损失能够提高5dB以上，很好实现了变电站降噪和通风需求。另外，他还拿到陕西省天然气揭榜挂帅项目，要开展天然气管道的减振降噪研究。把论文写在祖国大地上，军用或民用，飞机或其他领域，周杰的研究正应用到具体工程实践的方方面面。

“仰望星空，脚踏实地”是周杰一直秉持的科研准则。上可解决国家“卡脖子”问题，下可服务社会民生，是周杰的科研梦想。为实现梦想，周杰愿用一生孜孜以求。

专家简介

周杰，西北工业大学航空学院教授。西安交通大学学士、哈尔滨工业大学硕士、英国南安普顿大学博士。他长期从事航空噪声的研究，曾参与空中客车、香港特区政府、航空工业和中国商飞资助的多个大飞机降噪技术研究。回国后主持国家自然科学基金、基础加强技术领域基金等各类振动噪声预测与控制项目十余项。发表SCI论文40余篇，其中包括发表于《声与振动》(Journal of Sound and Vibration)、《极端力学快报》(Extreme Mechanics Letters)、《应用物理》(Journal of Applied Physics）等领域内国际期刊论文多篇。担任陕西省第六届振动工程协会副理事长、中国振动工程学会振动与噪声控制专业委员会委员、中国商飞大飞机噪声研究与控制联合实验室委员、《航空学报》中英文版青年编委等。