原创 VX-H VoiceX 2025年11月28日 10:20 广东
引言Introduction
飞机的噪声问题如同一个挥之不去的幽灵，一直困扰着人类航空航天事业的发展。为了解决这一问题，一代代声学工程师在一种名为 “气动声学风洞” 的特殊实验室里孜孜不倦地探索。随着技术的不断发展，这一技术不断延伸至汽车、高铁，以及近年来新兴的低空经济领域。不同于行驶在高空的飞机，低空经济的重要载体——无人机、电动垂直起降飞行器（eVTOL）等，距离我们更近，甚至咫尺之遥。然而，目前噪声问题仍是这些低空载体亟需突破的难点问题，是悬在低空经济规模化应用之上的“达摩克利斯之剑”。
随着科技的不断发展，低空经济载体逐渐融入我们的生活，如何为这些低空载体“消音”？如何设计出既高效又安静的低空载体？破题的关键正是“气动声学风洞”这项声学基础设施。今天，就让我们一起来了解下这个神奇的声学实验室！
01基础概念：何谓气动声学风洞？
简单来说，气动声学风洞是一种专门用于研究和测量物体在气流中产生噪声的实验设施。气动声学风洞能在可控条件下模拟飞行器、汽车、无人机等物体的运动状态，精确测量其产生的气动噪声。
与主要测量升力阻力的传统气动风洞不同，气动声学风洞对背景噪声和声学测试环境有极高要求。气动声学风洞的试验段通常被巨大的消声室包围，内壁铺设高效吸声材料，以消除反射声干扰，确保测量结果的准确性。
02组成结构：如何打造一个气动声学风洞？
一座现代化的气动声学风洞，可以看作是一个精密的“声学实验室”，由多个关键系统构成。
1. 动力系统——低噪声风扇与消声器
低噪声风扇是风洞的动力源，为风洞提供高效气流，同时它也是风洞最大的噪声源，需要在提供气流的同时尽可能不产生额外的、与试验模型无关的噪声。为此，气动声学风洞采用经过特殊气动与声学优化的低噪声风扇，并在其前后管道中安装大型消声器。这些消声器内部同样装有吸声结构，如同给风扇戴上了“超级口罩”，有效滤除机械和气流噪声，确保送到试验段的是一股“安静的风”。
2. 试验段——吸声结构与消声室
气动声学风洞的试验段分为开口和闭口两种形式。开口试验段通常被设计成一个全消声室，形成自由声场环境；闭口试验段是一个由固体壁面包围的封闭通道，通常在内壁铺设吸声材料，不过较难达到开口试验段那样的全消声效果。进行最高精度的声学测量和噪声源诊断通常会优先选择开口试验段。
3. 测量系统——麦克风阵列
精准定位噪声来源，单一麦克风无能为力，需要使用传声器阵列技术，即由几十甚至上百个高灵敏度麦克风按特定规律排列而成的麦克风矩阵，包括螺旋阵列、星形阵列、半球阵列等不同构型。这些阵列可同步采集数十至数百个声压信号，通过波束形成算法精准定位噪声源位置。
4. 支撑与传动系统——低湍流度技术
不纯净、充满涡漩的来流本身就会产生噪声干扰测量，因此通常会设计蜂窝器、阻尼网和收缩段等装置，对气流进行“梳理”和“抚平”，为声学测量提供一股均匀、平稳的低湍流度来流。 此外，先进的气动声学风洞还会配备六分量天平，同步测量气动力与声学数据。
03发展历程：气动声学风洞经历了哪些技术改革？
气动声学风洞的发展紧密伴随着人类对飞行器噪声认知的深化，大致经历了三个阶段的演进。
1.早期萌芽阶段（20世纪50-70年代）
随着喷气式飞机的普及，巨大的发动机喷流噪声成为首要问题，传统的风洞难以解决这一噪声问题。此时，声学工程师们通过改造传统风洞以形成声学风洞，如通过加装吸声材料等降低背景噪声。但毕竟由传统风洞改造而来，这种声学风洞的声学性能较为有限。如美国NASA Ames的40ft×80ft风洞和德国Stuttgart大学的IVK风洞。
2.专用设施建设阶段(20世纪80-90年代)
随着民航业的蓬勃发展，机场周边的噪声污染问题凸显，各国政府为解决这一问题开始制定严格的噪声适航标准。这催生了第一代专用气动声学风洞的诞生，声学风洞为进一步降低背景噪声开始采用独立的低噪声动力系统、消声室和开放式试验段，有效推动了气动声学研究的快速发展。如德国-荷兰DNW风洞(1980年)、日本Nissan风洞(1986年)等就是首批建成的专用声学风洞。
3. 现代化发展阶段(21世纪以来)
进入新世纪，噪声控制从航空航天扩展至地面交通（如高铁、汽车）、新能源（如风力机），以及近年来兴起的低空经济（如无人机、eVTOL）等领域。同时，计算流体力学（CFD）与计算声学（CAA）的成熟，要求风洞试验提供更高精度、更精细化的数据用于验证，风洞技术向低湍流度、高精度测量、智能诊断方向发展。如我国2013年建成的FL-17风洞(5.5m×4m)，是国内首座大型声学风洞（在此之前，全世界只有欧洲、美国与日本拥有大型声学风洞），不仅服务于大飞机、高铁等国家重大工程，还前瞻性地布局了针对无人机、eVTOL等新型飞行器的气动声学基础研究与验证功能。
04应用场景：从航空到低空如前文所述，气动声学风洞主要用于航空航天、地面交通以及低空经济等领域的噪声问题研究。
1. 飞机设计与适航认证
这是气动声学风洞最经典的应用，它可以为飞机起落架、襟翼、缝翼等“非推进系统噪声”源提供关键的降噪优化平台。通过针对性的测试，工程师可以优化构型，例如为起落架设计整流罩、改变襟翼支撑结构等，从而得以显著降低飞机进场着陆时的噪声，满足有关国际适航规章的规定。中俄联合研究团队曾在FL-17风洞中开展民机起落架噪声特性及控制技术研究，为国产大飞机的噪声适航认证提供关键数据。
2. 高速列车与汽车风噪研究
随着速度的提升，气动噪声取代轮轨噪声成为高铁车厢内的主要噪声源，通过气动声学风洞，工程师们可以对电弓、车厢连接处等部位的绕流噪声进行深入研究，从而根据测试数据优化设计，提升乘客的乘坐舒适度。在汽车领域，气动声学风洞是分析和控制汽车侧窗、A柱、后视镜等区域风噪的必备工具，依据测试数据，工程师可以开展针对性的设计优化，提升驾乘体验。
3. 低空经济噪声控制与产品认证
低空经济的核心载体同很多航空飞行器一样，其性能、使用体验等均会受到气动噪声的影响。总的来说，气动声学风洞可以为低空飞行器提供关键噪声测试与优化手段，是低空装备研发、认证和商业化不可或缺的技术基础设施。
首先，低空飞行器尤其是eVTOL绝大多数是电动的，电池的能量密度目前远低于燃油，这意味着每一份气动效率的提升都直接转化为更长的航程、更大的商载和更低的操作成本，气动声学风洞可以同步测量升力、阻力和噪声，帮助工程师找到气动与声学性能的最佳平衡点。
其次，低空飞行器的噪声水平直接关系到其商业可行性。世界各国目前都在为城市空中交通（UAM）制定日益严格的噪声标准，要求相关飞行器必须“持静音证上岗”，有关飞行器的制造商需要使用气动声学风洞的测试数据来向监管机构证明其产品符合噪声法规要求。
最后，低空飞行器在从垂直起降向水平飞行转换时，流场极其复杂，这种复杂流场的气动和声学特性只有在气动声学风洞中才能被精确的捕捉和解析，因此，所有飞行器的设计优化都离不开气动声学风洞的技术支撑。工程师通过风洞测试，可以为低噪声设计提供关键数据，迭代改进核心部件乃至整体的气动布局，从而指导低噪声设计，最大程度的降低噪声、提升性能。
05技术发展：更静、更智、更融合
面对不断变化的应用需求，气动声学风洞目前正朝着这几个方向快速发展：
更静：追求极限背景噪声。新一代风洞致力于将背景噪声降至20 dB(A)以下，甚至逼近人耳的听阈极限。这要求在设计、材料、制造和安装全环节实现突破，例如采用更高效的吸声尖劈、磁悬浮风扇等超静音动力系统，以捕捉飞行器模型产生的更微弱声学信号。
更智：AI驱动的实时诊断与预测。将人工智能（AI）与机器学习（ML） 引入海量声学数据处理是当前的研究热点。通过训练深度学习模型，可以实现声源的可视化实时重构、噪声根源的快速诊断，甚至基于部分测试数据预测全尺寸飞行器的远场噪声，极大提升研发效率。
更融合：数字孪生与多物理场耦合。基于高保真计算气动声学（CAA） 模拟构建的“数字风洞”或“数字孪生体”，正与物理风洞试验形成深度互补。研究人员可以在虚拟空间中完成大量初步设计和参数筛选，再将最优方案置于实体风洞中验证，形成“数值模拟指导试验，试验数据修正模型”的研发闭环，显著降低成本与周期。同时，将声学测量与粒子图像测速（PIV）、表面压力测量等技术同步，实现流场、声场、结构振动的多物理场耦合测量，以此揭示复杂噪声产生机理。
从呼啸而过的客机到城市上空静谧穿梭的无人机，我们共同见证着气动噪声控制技术的飞速进步。气动声学风洞作为驱动技术进步的基础载体，持续帮助声学工程师们“捕捉”那些无形的声波，助力城市塑造更加舒适的低空环境。气动声学风洞这座"静音实验室"，承载着塑造低空话语权的核心数据与图谱，悄然塑造着一个关于“声域”的未来，这既有关于技术革新的艰难挑战，也有定义未来城市声景的时代机遇，让我们拭目以待！