猫头鹰的沉默：猫头鹰如何无声地飞翔

每个猫头鹰爱好者都有一个他们第一次听到猫头鹰的故事--或者更确切地说，他们没有听到一只猫头鹰。看到一只翼展可达6英尺以上的巨型鸟在空中滑行，甚至连低语都没有，这是令人难忘的。

贾斯汀·贾沃斯基的第一次近距离接触是在英国剑桥附近的猛禽基金会的一个飞行展览上。“他们训练猫头鹰飞得离观众很近，”他说。“我的第一次经验是躲避以避免碰撞。它过去后，我只听到了一声非常轻微的砰的一声。“。

实验室测量表明，谷仓猫头鹰发出的轻微声音低于人类的听觉门槛，直到猫头鹰大约三英尺远的地方-这是生物学家和工程师远未完全理解的一种潜行壮举。但这两个学科的研究人员都在努力解开无声飞行之谜-一些人的目标是设计更安静的风扇、涡轮叶片和飞机机翼。

Jaworski和Nigel Peake在2020年流体力学年度评论的一篇综述中写道，这种受猫头鹰启发的创新可以降低高达10分贝的噪音，类似于过往卡车和过往汽车之间的噪音差异。

Jaworski是宾夕法尼亚州利哈伊大学的一名工程师，他并不是第一个被猫头鹰无声飞行之谜迷住的科学家。1934年，英国飞行员和鸟类鉴赏家罗伯特·鲁尔·格雷厄姆(Robert Rule Graham)呼吁人们注意猫头鹰翅膀上的三个结构，这可能是猫头鹰保持沉默的原因。

80多年后，克里斯托弗·克拉克(Christopher Clark)所称的他的“三性范式”仍然被许多关于猫头鹰翅膀的论文引用。“他显然非常了解鸟类，他是一名航空工程师，”加州大学河滨分校的鸟类学家克拉克说。“科学在20世纪30年代是不同的。在我们这个专业化的时代，你得不到这样的组合。“。

首先，格雷厄姆指出了一种名为“梳子”的不同寻常的结构，从字面上看，它看起来就像一把从机翼前缘向前突出的梳子。其次，他注意到猫头鹰的翅膀大部分都覆盖着一层柔软的天鹅绒羽毛。最后，他观察到机翼后缘的羽毛形成了一条参差不齐的边缘。

大多数研究人员仍然同意，梳子、天鹅绒和流苏在某种程度上结合在一起可以减少噪音，但猫头鹰可能还有更多的诀窍。克拉克说：“当一切都说完了，我想我们会有很多机制，包括格雷厄姆的机制。”

为了解释猫头鹰是如何抑制噪音的，首先识别噪音是从哪里来的会很有帮助。对于准备降落的飞机来说，很大一部分噪音不是来自发动机，而是来自飞机周围的气流，特别是机翼后缘产生的声音。飞过机翼裸露边缘的湍流空气转化为飞机从头顶飞过时听到的沉闷的轰鸣声。

减少这种噪音的一种方法是使机翼的后缘不那么坚硬，更多孔，更灵活。这可能是猫头鹰翅膀参差不齐的流苏的作用。Jaworski和Peake已经从数学上计算了工程师如何利用这种孔隙率和弹性来降低噪音，以及如何量化减少的噪音。

这些计算得到了风洞实验的支持：各种多孔材料确实降低了噪音。德国勃兰登堡理工大学的托马斯·盖耶(Thomas Geyer)的研究发现，猫头鹰大小的多孔弹性翅膀可能比普通翅膀安静2至5分贝。

然而，盖耶说，合适的多孔材料至关重要；在风洞测试中，一些材料实际上增加了高频噪音。对飞行中的猫头鹰的测量表明，它们的翅膀只会静音1600赫兹以上的频率(在钢琴上，中C以上2.5个八度)。由于这大致是啮齿动物听觉范围开始的地方，所以猫头鹰在捕食时抑制听觉会使其受益最大。

美国宇航局兰利研究中心的贾沃斯基和伊恩·克拉克(与克里斯托弗没有关系)试图通过在标准翼型上覆盖各种织物来模仿猫头鹰的天鹅绒。“获奖的纺织品是婚纱，”雅沃斯基说。然而，可能没有必要把你的婚礼配件捐给科学，因为研究人员将微小的塑料3D打印的“鳍”贴在风力涡轮机的叶片上，得到了更好的结果。

“在一定的频率范围内，我们看到噪音降低了10分贝，”Jaworski说。“这听起来可能不是很多，但在空气声学领域，工程师们会为两三个分贝而争论不休。10分贝是噪音的一半。对于任何技术来说，这都是一个巨大的变化。“。风力涡轮机制造商西门子(Siemens)显然一直在倾听，最近推出了第二代“恐龙尾巴”涡轮机，这种涡轮机的梳子直接受到猫头鹰翅膀的启发。

虽然猫头鹰的机翼为航空工程提供了降低噪音的新见解，但工程师们在描述猫头鹰飞行的物理学方面取得的成功较少。根据鸟类学家克拉克的说法，工程师们甚至可能还没有确定猫头鹰飞行中最重要的噪声源。

如果你试图建造一只猫头鹰，而不是风力涡轮机或飞机，你会注意到几个不同之处。猫头鹰有羽毛；飞机没有。猫头鹰拍打翅膀；飞机没有。航空工程师喜欢固定的、坚固的翅膀，而不是拍打着羽毛的翅膀，这是有充分理由的：它们更容易理解。

但克拉克说，如果你是生物学家，忽视扑打就是忽视鸟类飞行中的一个基本因素。当鸟翼拍打时，它们会改变形状，当它们改变形状时，羽毛会相互摩擦，产生噪音。这种噪音是摩擦的，而不是空气动力学的，是由固体与固体接触产生的。

在克拉克看来，猫头鹰的天鹅绒和流苏的目的是减少拍打时羽毛之间的摩擦噪音。克拉克承认，如果猫头鹰在狩猎时滑行，他的论点将毫无意义，但视频证据显示它们不会：起飞时它们会拍打，降落时会拍打，甚至在“追逐”猎物时也会拍打。

而且，条纹不仅位于机翼的后缘，根据空气动力学理论预测，它们在那里具有最大的降噪效益。条纹也存在于羽毛的前缘，在那里它们不影响空气动力学噪波，以及一些甚至没有暴露在气流中的羽毛上。这表明它们的目的不是空气动力学。

克拉克说，我们可能是在倒着问这个问题。与其问猫头鹰为什么这么安静，我们不如问问为什么其他的鸟都这么大声。答案是羽毛。克拉克说：“羽毛是令人惊叹的结构，可能也是鸟类如此成功的原因。”但它们伴随着进化的代价：“如果你要用羽毛做翅膀，它们会发出摩擦的声音。”为了成为沉默的猎人，猫头鹰进化出了特殊的适应能力，以减少这一劣势。

猫头鹰并不是唯一一种解决了这个问题的鸟类。澳大利亚一些种类的蛙嘴已经独立地发展出同样的适应能力。这些鸟也是肉食性的，翅膀柔软蓬松，有梳子和参差不齐的流苏。在格雷厄姆时代，人们认为青蛙嘴与猫头鹰有密切的亲缘关系，但基因组分析证明并非如此。虽然比猫头鹰研究得少，但它们也是沉默的飞行者。

克拉克说：“进化经常走一条怪异的道路。”“有一种方法可以让你深入了解潜在的机械原理，并将它们与怪癖区分开来，那就是收敛进化。”当两种不相关的动物具有相同的适应能力时，这表明这一特征带来了好处-在这种情况下，是隐形的。

目前，理解猫头鹰飞行的方法主要有两种：一种是基于流体运动方程和风洞实验的工程观点，另一种是基于解剖学、行为学和基因组学的生物学观点。一个真正完整的故事可能需要两者兼而有之。即使是工程师也意识到，基于僵硬的、没有羽毛的翅膀的理想化研究是不够的。猫头鹰很可能是主动而不是被动地使用它的羽毛和翅膀的小形状调整来操纵气流。工程师们甚至还没有接近理解这一过程，这个过程跨越了几个大小的尺度，从羽毛的倒钩到单个羽毛，再到整个机翼。

南卡罗来纳州海岸卡罗莱纳大学的罗伊·古尔卡(Roi Gurka)说：“我们缺少的是微观角度。”他用飞行猫头鹰做的实验，对猫头鹰拍动的翅膀周围的流场进行了漂亮的计算机模拟。“我了解翅膀，”他说，但了解个体羽毛形态在降低噪音中所起的作用则是另一回事。

在科学家们争论不休的同时，谷仓猫头鹰将一如既往地飞行：它的脸像月亮一样圆而镇定，它的耳朵训练着下一顿饭，它的羽毛在空中轻轻地踩着。