Cichy lot sów inspiracja do redukcji aerodynamicznego hałasu lotniczego

• Autorzy: Cieślak M. , Rojek M.

Warianty tytułu

EN

Owl`s silent flight inspires aerodynamic aircraft noise reduction

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

Hałas emitowany przez lecący samolot składa z dwóch typów emisji: hałasu silnika czy też zespołu napędowego i z hałasu aerodynamicznego zwanego też hałasem płatowca. Ostatnie dekady przyniosły wiele innowacji, których efektem było znaczne zmniejszenie poziomu hałasu emitowanego przez silniki. Niestety, postęp w zakresie redukcji hałasu aerodynamicznego był znacznie mniejszy Artykuł prezentuje mechanizmy cichego lotu sów, które mogą być bioniczną inspiracją dla projektantów samolotów szukających rozwiązań dla redukcji aerodynamicznego hałasu. Mechanizmy te są bardzo różnorodne i dla potrzeb ich prezentacji zostały podzielone na trzy kategorie: A - redukcja oporu i zawirowań powietrza wokół ciała lecącej sowy, B - redukcja przepływu powietrza przez upierzenie i C - redukcja poziomu dźwięków jakie mnogą być generowane w upierzeniu. We wszystkich tych kategoriach mechanizmów cichego lotu istotną rolę odgrywa puszek pokrywający górne powierzchnie sowich piór. W drugiej części omówiono zróżnicowanie europejskich gatunków sów pod kątem stopnia rozwinięcia mechanizmów cichego lotu. Najbardziej rozwinięte mechanizmy cichego lotu mają gatunki określone jako „wybitni łowcy akustyczni", które dzięki redukcji poziomu generowanych podczas lotu dźwięków osiągają w swoich strategiach łowieckich duże korzyści z doskonałego słuchu (wykrywanie obecności ofiar i ich dokładna lokalizacji przy pomocy słuchu). Tę grupę stanowią: puszczyk mszarny, płomykówka i włochatka i są one rekomendowane do dalszych szczegółowych badań. Autorzy wyrażają nadzieję, że zwiększające się wymagania środowiskowe w zakresie ograniczenia uciążliwości hałasu lotniczego będą motorem postępu w zakresie redukcji aerodynamicznego hałasu lotniczego również z wykorzystaniem bionicznych rozwiązań wypracowanych przez sowy.

EN

Overall noise generated by flying aircraft consists of two different sources of emission: from propulsion system and aerodynamic, also called airframe noise. Innovative solutions developed over last decades resulted in significant reduction of engine noise. No breakthroughs were observed during this time for airframe noise. Following paper presents mechanisms of silent flight of owl`s that may constitute bionic inspiration for aircraft designers seeking for aerodynamic noise reduction technologies. The above-mentioned mechanisms are diverse and fall into three categories: A- reduction of air drag and turbulences around flying owl`s body, B- reduction of airflow through plumage, C- reduction of sound generation in feathering. Fluffy feathers covering upper surface of owl`s wing and body plays crucial role in all of these mechanisms. Differentiation of the 'hush kit' mechanisms among European owl`s species is widely described in the second part of the paper. Group of species called 'outstanding acoustic hunters' are proved to have them developed best in addition to excellent hearing abilities. It allows for prey detection and precise localisation. Grey great owl, barn owl and boreal owl belong to that group. For this reason these species and their solutions are recommended for further investigation. It is foreseen that growing environmental stringency regarding aircraft noise emission will be an important driver for noise mitigation technologies development. Bionic solutions evolved by owls may serve as pattern for development of given solutions.

Słowa kluczowe

PL

aerodynamiczny hałas lotniczy; mechanizmy cichego lotu sów; redukcja hałasu samolotów

EN

aerodynamic aircraft noise; mechanisms of silent flight of owls; aircraft noise reduction

• Wydawca: Wydawnictwa Naukowe Instytutu Lotnictwa
• Czasopismo: Prace Instytutu Lotnictwa
• Rocznik: 2013
• Tom: Nr 2 (229)
• Strony: 55--101
• Opis fizyczny: Bibliogr. 70 poz., fot., rys., tab.

Twórcy

autor

Cieślak M.

• Stowarzyszenie Ochrony Sów

autor

Rojek M.

• Instytut Lotnictwa, Warszawa

Bibliografia

• [1] Anderson G. W., 1973: An experimental investigation of the high lift device on the owl wing. Air Force Inst, of Technology, Ohio, AD - 769-492.
• [2] Astley R. J., 2010: Encyclopedia of Aerospace Engineering, Willey&Sons Ltd, Chichester.
• [3] Bachmann T., Klan S., Baumgartner W., Klaas M., Schroder W., Wagner H. 2007: morphometry characterisation of wing feathers of the barn owl Tyto alba pratincola and the pigeon Columba livia. Frontiers in Zoology 4, 23.
• [4] Bachmann T., Muhlenberg G., Wagner H., 2011a: The barn owl wing: An inspiration for siient flight in the aviation industry? Proc. of SPIE Vol. 7975 79750 N. 1-14.
• [5] Bachmann T., Muhlenberg G., Wagner H., 2011b: The three-dimensional shape of serrations at barn owl wings: towards a typical natural serration as a role model for biomimetic applications. J. Anat. doi: 10.HH/j.1469-7580.2011.01384.x.
• [6] Benson D., 2008: Owls of the North. A naturalist's handbook. Stone Ridge Press, Duluth.
• [7] Bruderer B., Boldt A. 2001: Flight characteristics of birds: I. Radar measurements of speed. Ibis 143,178-204.
• [8] Charles D., 1990: NASA Supercritical Airfoils- A Family-Related Airfoils, NASA Technical Paper, 2969.
• [9] Chyla A., 1985: Statystyczna analiza wpływu parametrów eksploatacyjnych na efekty aerokustyczne. Prace Inst. Lotnictwa, 102, 63-90.
• [10] Dooling R., 2002: Avian Hearing and the Avoidance of Wind Turbines. Tech. Rep. NRL/TP-500-30844, Nat. Renew. Energy Lab., Golden, CO.
• [11] Dyson M. L., Klump G. M., Gauger B., 1998: Absolute hearing thresholds and critical masking ratios in the European barn owl: a comparison with other owls. J. Comp. Physiol A, 182, 695-702.
• [12] Graham R. R., 1934: The silent flight of owls. J. Roy. Aeronaut. Soc. 38, 837-843.
• [13] Gruschka H. D., Borchers I. U., Coble J. G., 1971: Aerodynamic Noise produced by gliding owl. Nature 233,409-411.
• [14] Gutierrez-Ibanez C., Iwaniuk A. N., Wylie D. R., 2011: Absolute hearing thresholds and critical masking ratios in the European barn owl: a comparison with other owls Brain Bchav. Evol. 78, 286-301.
• [15] Harmening W. M., Nikolay P., Orlowski J., Wagner H., 2009: Spatial contrast sensitivity and grating acuity of barn owls. J. Vision, 9, 1-12.
• [16] Harrisson T. H., 1931: On the normal flight speed of birds. Britt. Birds 25, 86-96.
• [17] Hausmann L., Plachta D. T., Singheiser M., Brill S., Wagner H., 2008: In-flight corrections in free-flying barn owls (Tyto alba) during sound localization tasks. ]. Exp. Biol. 211, 2976-88.
• [18] Herr M., 2005 : Experimental investigations in low-noise trailing-edge design. AIAA Journal, 1167-1175.
• [19] Hersh A. S., Soderman P. T., Hayden R. E., 1984: Investigation of acoustic effects of leadingedge serration on airfoils. J. Aircraft 11, 197-202.
• [20] Hileman J. I., Spakovszky Z. S., Drela M., Sargeant M. A., 2007: Airframe Design for 'Silent Aircraft', 45th AIAA Aerospace Sciences Meeting and Exhibit 8-11 January 2007, Reno, Nevada.
• [21] Hoppitt W. 2000: Silent flight in owls. Thesis MSc, Integrative Bioscienes, Linacre Collage, Oxford.
• [22] ICAO 2010: CAEP/8-IP/30. Montreal.
• [23] ICAO 2001: Environmental Report.
• [24] Ito S., 2009: Aerodynamic influence of leading edge serration on an airfoil at low Reynolds number -a study of an owl wing with leading edge serration. J. of Biomech. Sei. Eng. 4, 117-123.
• [25] Kelso L., 1940: Variation of the external car-opening in the Strigidae. Wilson Bull. 52, 24-29.
• [26] Klan S., Bachman T., Klaas M., Wagner H., Schröder W., 2009: Experimental analysis of the flow field over a novel owl based airfoil. Exp. Fluids. 46, 975-989.
• [27] Klan S., Schröder W., 2008: Experimental Analysis of the Flow over an Owl-shape based Airfoil. 14th Int. Symp. on Applications of Laser Techniques to Fluid Mechanics. Lisbon, 07-10 July, 2008.
• [28] Knudsen E. I.,1981: The hearing of Barn Owl. Sei. Am. 245, 113-125.
• [29] Knudsen E. I., Knudsen R. F., Esterly S. D., 1984: A critical period for the recovery of sound localization accuracy following monaural occlusion in the barn owl. J. Neurosci. 4, 1012-1020.
• [30] Koch U. R., Wagner H., 2002: Morphometry of auricular feathers of barn owls (Tyto alba). Eur. J. Morphol. 40,15-21.
• [31] Konishi M., 1973: How the owl track its prey. Am. Scient. 61, 414-424.
• [32] Kroeger R. A., Grushka H. D., Helvey T. C., 1971: Low speed aerodynamics for ultra-quiet flight. AFLDL TR 71-75, 1-155.
• [33] Kroo I. M., 2003: Aircraft Design: Synthesis and Analysis. URL: http//adg.stanford.cdu/aa241/aircra ftdesign.html
• [34] Krzysiak A., 2011: Zastosowanie nowego rodzaju strumieniowych generatorów wirów do sterowania przepływem. Prace Inst. Lotnictwa 2011 nr 212.
• [35] Lighthill M. J., 1952: On sound generated aerodynamically, I. General theory. Proc. Roy. Soc. Lond. A, 211, 564-587.
• [36] Liu T., Kuykendoll K., Rhew R., Jones S., 2004: Avian wings. AIAA Paper-2186, NASA, Hampton.
• [37] Liu T., Montefort J., Liou W. W., Pantula S. R., Shams Q. A., 2007: Static extended trailing edge for lift enhancement: experimental and computational studies. 3rd Intntl. Symp. on Integrating CFD and Exp. in Aerodyn., 20-21 June 2007, U.S. Air Force Academy, CO, USA.
• [38] Lockard D. P., Lilley G. M., 2004: The airframe noise reduction challenge. NASA/TM - 2004 - 213013.
• [39] Lilley G. M., 1998: A study of the silent flight of owls. AIAA Paper-2340, NASA, Hampton.
• [40] Lynch W., 2007: Owls of the United States and Canada: a complete guide to their biology and Behavior. John Hopkins Univ. Press, Baltimore.
• [41] Manley G. A., 1971: Some aspects of the evolution of hearing in vertebrates. Nature, 230, 506-509.
• [42] Martin G., 1990: Birds by night. Poyser, London.
• [43] Mebs T., Scherzinger W., 2000: Die Eulen Europas Biologic, Kennzeichen, Bestände. Kosmos, Stuttgart.
• [44] Mikkola 1972: Hawk owls ant their prey in northern Europe. Brit. Birds 65, 453-460.
• [45] Mikkola H. 1983: Owls of Europe. Poyser, Calton.
• [46] Nero R. W.,1980: Great Gray Owl. Phantom of the Northern Forest. Smiths. Inst. Press, Washington, D. C.
• [47] Neuhaus W., Bretting H., Schweizer B., 1972: Morphologische und funktionelle Untersuchungen über den „lautlosen" Flug der Eulen (Strix alueo) im Vergleich zum Flug der Enten (Anas platyrhynchos). Biol. Zbl. 92, 495-512.
• [48] Nishioka M.,1999: Vorticity manipulation as an effective means for aerodynamic noise suppression, p. 973-983 in: Proc. 8th Asian Congress of Fluid Mechanics, Shenzhen, 6-10 Dec. 1999.
• [49] Norberg A. R., 1968: Physical factors in directional hearing in Aegolius funereus (Linne) (Strigiformes), with special reference to the significance of the asymmetry of the external ears. Arkiv for Zoologi. 20, 181-204.
• [50] Norberg A. R., 1970: Hunting technigue of Tengmalm's owl Aegolius funereus (L.). Ornis Scand. 1, 512-64.
• [51] Norberg A. R., 1977: Occurrence and independent evolution of bilateral car asymmetry in owls and implication on owl taxonomy. Phil Trans. Roy. Soc. Lond. Ser. B, 280, 375-408.
• [52] Payne R. S., 1971: Acoustic location of prey by barn owls (Tyto alba). J. Exp. Biol. 54, 535-573.
• [53] Polska Agencja Żeglugi Powietrznej 2010: EPWA-Chopina w Warszawie. AD 2 EPWA 1-1.
• [54] Poole E. L., 1938: Weights and wing areas in North American birds. Auk 55, 511-517.
• [55] Rajpert T., 1980: Hałas lotniczy i sposoby jego zwalczania, WKiŁ Warszawa.
• [56] Samek A., 2010: Bionika. Wiedza przyrodnicza dla inżynierów. Wyd. AGH, Kraków.
• [57] Sarradj E., Fritzsche C., Geyer T., 2010: Silent Owl Flight: Bird Flyover Noise Measurements. IAA 2010-3991, 1-17.
• [58] Schwartzkopff J., 1957: Die Grössenverhältnisse von Trommelfell Columella-Fussplatte und Schnecke bei Vögeln verschiedene Gewichts. Z. Morph. Okol. Tiere 45, 365-378.
• [59] Smith M. J. T., 1989: Aircraft noise. Cambridge Aerospace Series, Cambridge.
• [60] Soderman P. T., 1973: Leading-edge serrations which reduce the noise of low-speed rotors. NASA Tech. Note, D-7371, 1-66.
• [61] Spitzer M. W., Takahashi T. T., 2006: Sound localization by barn owls in a simulated echoic environment. J. Neurophysiol. 95, 3571-3584.
• [62] Stefansson O., 1997: Nordanskogcns vagabond. Lappugglan (Strix nebulosa lapponica). Ord & visor forlag. Skelleftea.
• [63] Thorpe W. H., Griffin D. R., 1962: Lack of ultrasonic components in the flight noise of owls. Nature 193, 594-595.
• [64] Vad J., Koscsó G., Gutermuth M., Kasza Z., Tabi T., Csorgo T., 2006: Study of the aero-acoustic and aerodynamic effects of soft coating upon airfoil. JSME International Journal, sen C, 49, 648-656.
• [65] von Campenhausen M., Wagner H., 2006: Influence of the facial ruff on the sound-receiving characteristics of the barn owl's ears. J. Comp. Physiol. A., 192, 1073-1082.
• [66] van Dijk T., 1973: A comparative study of hearing in owls of the family Strigidae. Neth. J. Zool. 23, 131-167.
• [67] Volman S. F., Konishi M., 1990: Comparative physiology of sound localization in four species of owls. Brain Behav. Evol. 36, 196-215.
• [68] Voous K. H., Cameron A., 1988: Owls of the Northern Hemisphere. Collins, London.
• [69] Wijnandts H. 1984: Ecological energetics of the Long-eared Owl (Asio otus). Ardea 72, 1-92.
• [70] Whitcomb R. T., 1976: Airfoil shape for flight at subsonic speeds, United States Patent, Washington D. C.