猫头鹰的静音飞行与什么因素有关？

你知道吗？在所有鸟类中，夜行猫头鹰的飞行噪声最低。它在大自然中经过千万年的进化，已经形成了独特的躯体特征和能够适应环境的静音飞行本领。即使在万籁俱静的夜空背景声场下，猫头鹰高速飞行时的噪声也难以被其猎物察觉。

这一现象引起了鸟类学家、声学专家甚至军事专家的极大兴趣。为了解开猫头鹰静音飞行的秘密，中国科学院合肥智能机械研究所孔德义、中国科学院动物研究所梁爱萍、大连理工大学褚金、以及中国安防技术有限公司中央研究院梅涛四人展开了相关研究。文章发表在汉斯出版社《应用物理》期刊上。

猫头鹰的静音飞行与其飞行噪音的特性有关。猫头鹰可以将绝大部分飞行噪声能量控制在1600Hz以下的低频范围。而其猎物(田鼠等)的听觉只对频率在2000Hz以上的声音敏感，猎物听不到猫头鹰的飞行。

羽毛也是猫头鹰静音飞行的重要因素。猫头鹰翅膀初级飞羽外缘的梳齿结构可以起到涡流发生器的作用，将流过翅膀表面的大空气涡流“过滤”成细碎的小涡流，抑制紊流边界层噪声的产生；气流经过翅膀后缘时会发生涡旋脱落分离，初级飞羽后缘的穗状须边可以使脱离过程变得离散，抑制涡流脱离引起的气动噪声；覆盖在猫头鹰体表的大量松软绒毛具有吸声降噪功能，能够吸收气流与猫头鹰身体作用时发出的声音，减少声音反射。猫头鹰体表羽毛的多级分叉结构(包括绒毛末级分叉“竹节”结构)也在气动噪声能量耗散方面也发挥着重要作用。

另外，猫头鹰的羽毛还具有特别的力学特性。孔德义等人发现猫头鹰翅膀和尾部羽毛的弹性模量较大，在3.13~3.66GPa之间，绒毛的弹性模量较小，在1.47~2.04GPa范围。弹性模量较大的翅膀飞羽和尾部羽毛刚性较大，不易变形，主要用于调整和保持猫头鹰的飞行姿态，并获得最大升力，而身体其他部位的绒毛因弹性模量较小，较为柔软，在飞行过程中受到气流冲击时，通过柔顺变形来吸收噪声能量。

猫头鹰翅膀的翼型特征让猫头鹰在飞行中具有更好的气动和声学特性。孔德义等人的研究显示，在10m/s风速下，雕鸮翼型的升力约为0.896(牛)，大鵟翼型的升力约为0.809(牛)，雕鸮翼型的升力效果好于大狂翼型模型。此外，流场压力分布显示，在两种翼型尾部，雕鸮翼型尾部的压力脉动略小于大狂翼型模型，表示它具有更好的声学特性。

猫头鹰的皮肤也具有吸声特性。雕鸮皮肤表面非常粗糙，凹凸不平，密布着大量的气泡状突起，最小的突起甚至不到1微米。这样的微观结构特征十分类似于多孔吸声材料，应具有一定的吸声降噪效果。

研究还发现雕鸮腹部和大腿的皮肤及皮下组织有明显的分层结构共分三层：表皮层、真皮层、皮下组织，且在真皮层与皮下组织层之间存在一个空腔结构，空腔高度30~80微米不等，而鸭子皮肤则无明显的分层现象，更不存在皮下空腔结构。这样的空腔结构应具有共振吸声的效果。

猫头鹰的静音飞行特性，是多个降噪因素综合产生的总体效应。猫头鹰的翅膀翼型和初级飞羽的形态结构发挥着消声降噪的作用，而大量分布在猫头鹰身体其他部位的绒毛的形态结构，以及猫头鹰皮肤和皮下结构，起到了吸声降噪的效果。猫头鹰羽毛的力学特性，对于降噪的贡献较为复杂，可能兼具消声降噪和吸声降噪的效果。