此時無聲勝有聲
——記北京大學工學院航空航天工程系特聘研究員呂本帥

倪海波

高鐵風馳電掣，飛機沖入云霄，現代人的出行擁有前所未有的速度。三峽電站氣勢磅礴，哈密風場綿延不絕，新型能源為社會不斷注入綠色動力。工業讓現代的生產更加高效，生活更加便利，但同時也產生了無處不在的噪聲污染。多年來，北京大學工學院航空航天系特聘研究員呂本帥致力于聲學相關領域的研究，在航空及能源領域的氣動聲學研究中取得了一系列成就，為噴氣式飛機與風機等設備的噪聲控制作出了重大貢獻。

好奇·走近物理

如果用一個詞來總結童年的呂本帥對大千世界的小小態度，那便是好奇。“什么是電，它是怎么來的？”“馬達為什么會旋轉？”“電視的聲音從哪里來？”在他小小的眼睛里，由金屬和導線制作的一個個方塊像潘多拉魔盒一樣，蘊含著巨大而神奇的魔力，吸引著他不停地想往深處探個究竟。假如你推開他童年臥室的房門，映入眼簾的一定是滿地狼藉：被拆得七零八落的鐘表、收音機甚至電視機。尚顯稚嫩的他盤腿坐在地上，專注地研究著每一個零件。“雖然多數時候很多東西根本沒辦法拼回去，但能把盒子拆開看看有什么就已經大大滿足了我小時候的好奇心。”談到此處呂本帥不由笑道。

對于呂本帥來說，因為這些奇奇怪怪的小問題如此有趣，當開始接觸到能夠回答這些問題的物理學科時他就如獲至寶。哥哥姐姐的物理教材，呂本帥已經不知道翻了多少遍，并且每一次重讀都能有一些新的收獲。在逐漸找到各個問題答案的過程中，呂本帥對物理產生了濃厚的興趣。

2008年，呂本帥考入南京大學聲學專業。始建于1902年，南京大學的前身曾是有民國最高學府之稱的“國立中央大學”，擁有門類齊全的學科設置。中華人民共和國成立后全國院系調整，南京大學逐漸成長為以文理見長的綜合性重點大學。作為國內綜合類院校中唯一的本科專業，南京大學的聲學曾單獨從物理系劃分出來，后根據新時期學校院系改革方案，聲學專業以聲科學與工程系重新回到物理學院。當呂本帥進入南京大學時，就仿佛拿到了打開物理大門的鑰匙，得以進入其中并踏上聲學的學習道路。在濃厚研習氛圍的浸潤下，呂本帥的學習也格外勤奮，本科4年始終保持著專業第一名的好成績，為其后的聲學研究打下了堅實的基礎。

呂本帥

求學·潛心鉆研

“如果說在南京大學的4年是一段充實的旅行，讓我打下了牢固的數學和物理基礎，那么在劍橋大學的7年則更像一場虔誠的修行，讓我能夠在一個選定的方向走得很遠。”呂本帥回憶自己的研究歷程時說道。2013年，本科畢業后的呂本帥決心前往英國劍橋大學繼續攻讀碩士和博士學位。關于選擇劍橋大學的原因，呂本帥擁有清醒的認知。劍橋大學作為氣動聲學這一學科的發源地，匯集了一批氣動聲學領域的權威學者，無論是研究水平還是教育資源，這里都是金字塔的頂端，是氣動聲學研究最理想的去處。

事實證明他的選擇沒有錯。在氣動聲學權威學者的指導與全額碩博獎學金的資助下，呂本帥得以在劍橋大學心無旁騖地認真鉆研，并在氣動聲學領域迅速嶄露頭角，通過一系列重要成果獲得了領域內的一致認可。

“我在碩士時期研究的是風力發電機等領域前緣和尾緣噪聲的問題。”介紹留學經歷時呂本帥說道，“想必大家都注意過在風中呼嘯轉動的風機葉片。空氣在沿風機葉片表面流動時會形成一個薄薄的空氣層，層內的湍流會跟葉片的尾緣相互作用產生尾緣湍流噪聲，這便是風機噪聲的主要來源。”研究發現將葉片尾緣的形狀由直線狀改為鋸齒狀，可有效地降低尾緣湍流噪聲。那么到底是什么樣的物理機制導致了降噪？能不能建立數學模型來準確地預測其降噪效果，進而達到指導風機降噪設計的目的？碩士時期的呂本帥下決心解決的就是這些重要的問題。經過一年的潛心研究，呂本帥成功解決了前緣和尾緣噪聲領域中積存長達25年的數學問題，建立了更為準確的前尾緣湍流噪聲數學模型，揭示了長期未有定論的前尾緣噪聲控制的物理機理，給工業界設計鋸齒的大小提供了明確的指導。該成果發表后，在國際上受到高度評價。世界最大的風機制造商維斯塔斯曾主動聯系呂本帥所在的研究組，開展一系列合作研究。

2017年與諾貝爾物理學獎得主Kip Thorne（左一）和Barry Barish（左三）在加州理工學院

博士期間，呂本帥跟隨導師在氣動聲學領域進一步深耕。呂本帥的博士生導師是前英國皇家工程院院長Dame Ann Dowling（安道琳）教授。安道琳教授不僅是氣動聲學領域的世界權威，而且還是英國皇家學會會士、英國工程院院士，美國、法國、中國工程院外籍院士，曾獲得大英帝國勛爵士等重要獎項，在氣動聲學領域擁有豐富的經驗和極高的見識。作為安道琳院士的最后一位學生，呂本帥得到了導師專業且耐心的指導，在攻讀博士的3年里在氣動聲學領域做出了突破性的成果。

呂本帥博士期間研究的是噴氣式飛機的噪聲問題。早在20世紀50年代，人們就發現由航空發動機噴流產生的噪聲是整架飛機最主要的噪聲來源。為了單獨研究這部分噪聲，當時人們采取的解決辦法是將飛機的發動機“拆下來”送到相關的實驗室進行單獨研究，等研究人員認為對噴流噪聲有了深入的理解并對發動機進行了相關優化之后，再將其“裝回”到飛機上。然而，到了20世紀70年代，研究人員將優化過的發動機重新“裝回”到機身上時，卻發現發動機工作時的噴流噪聲能量不僅沒有下降，反而在低頻增加了不止10倍。

為什么發動機的噴流噪聲能量不降反增，且增加10倍之多？在與導師的討論中，呂本帥推測這部分能量很有可能來自于一個全新的聲源。在這個思路下，呂本帥考慮到這可能與噴流中不穩定波的散射有關，而這一直是大部分研究該問題的學者所忽略的。想到這里他非常興奮，于是立即開始推演，很快便建立了能夠描述這個新聲源的理論模型。果然，新的模型很好地復現了實驗結果。在發現這種新的噪聲源后，呂本帥又進行了一系列相關驗證實驗，最終實驗的結果和理論模型的預測幾乎完全吻合，切實地驗證了這個新聲源的推斷。這些成果獲得了國際同行的高度評價，在領域內最重要的國際氣動聲學年會上從眾多工作中脫穎而出，斬獲了當年唯一的最佳學生論文獎。

與導師Ann Dowling在劍橋

求學生涯結束后，呂本帥繼續留在劍橋大學從事博士后研究工作。這個時期，他延續了前尾緣湍流噪聲的研究。在碩士階段的工作中，他用數學模型解決了鋸齒的長度和寬度的最優設計問題，但仍有重要的工作還未得到解決：不同的鋸齒形狀對降噪效果有什么影響？能夠產生降噪效果的最佳鋸齒形狀又是怎樣的？通過對數學模型的漸進分析，呂本帥證明了最優齒形應該滿足的數學條件，并據此提出了全新的具有更優越降噪效果的新型Ogee齒形結構。在理論結果的指導下，呂本帥進行了實驗驗證，結果表明在鋸齒的長度和寬度都不變的情況下，僅僅將鋸齒的形狀改變成新的Ogee形狀，便能得到高達8個分貝的額外降噪效果，有力驗證了理論分析的正確性。該成果在氣動聲學及其相關的應用領域內產生了廣泛的影響，它不僅可用于風機葉片的降噪，對于無人機、直升機、風扇等設備的降噪研究工作同樣具有重要意義。

歸國·學以致用

在國外求學和從事研究工作期間，呂本帥憑借一個又一個突破性的研究成果漸漸吸引了學界和業界的關注。在外人看來，他如同一顆冉冉升起的學術新星，必將在氣動聲學領域大展宏圖。然而就在身邊人以為他會繼續留在國外發展事業的時候，他卻選擇了回國。對于這一步選擇，呂本帥坦承自己早就有所規劃。“當年決定前往劍橋大學留學的時候，就想好了出國的目的是為了學習氣動聲學領域的先進知識并且開拓視野，最終一定是要回來的。”呂本帥說道，“這么多年即使適應了國外的飲食、語言等習俗，但始終有種浮于表面的感覺，對故土的依戀是深深刻在每一個漢字、每一味佳肴以及每一寸山河里的。尤其在不經意間，看到父母的兩鬢已然在自己遠渡重洋的8年間青絲成雪時，更加堅定了我回國的選擇。”

“除了感情因素的考量外，我覺著國內也正處在一個蓬勃發展的機遇期，擁有很多機會，如果能親眼見證國家的發展，或者能在這個過程中做一點微不足道的貢獻，那就真的很滿足了。”呂本帥說道。隨著世界科技的發展，歐美多國對航空噪聲的要求愈發嚴格，并率先制訂了較高的相關標準，“如果我國制造的飛機噪聲標準不達標，將因不能取得適航許可而無法在相關國家的機場起飛降落。”呂本帥頗為嚴肅地解釋道。由此來看，我國在航空噪聲領域的發展需求已經到了相當緊迫的程度。

回國后的呂本帥選擇加入我國流體力學研究底蘊深厚的北京大學，并順利入選高層次人才計劃青年項目，在相關部門支持下從事交通與能源領域的一系列氣動聲學研究工作，力圖通過研究成果為我國交通與能源領域的噪聲控制作出貢獻。

在交通領域，除了航空噪聲，呂本帥的研究還涉及高鐵等的噪聲問題。眾所周知，多年來隨著技術的發展，我國高鐵無論是在速度還是舒適度方面都走在國際前列，然而噪聲卻一直是該領域的棘手問題。在我國一些高鐵經過的居民區或者生態保護區，為了降低噪聲影響，往往會在軌道附近建立噪聲屏障。然而，高鐵噪聲屏障的造價之高超乎普通人的想象。更為重要的是，隨著我國高鐵的不斷提速，噪聲屏障又將面臨重新建造。因此，更為長遠、有效和低成本的辦法是在源頭上降低高鐵的噪聲，這也是呂本帥回國后重點關注的研究方向之一。在能源領域，降噪的需求也同樣緊迫。以風能為例，當前風力發電機在工作時產生的噪聲已成為阻礙大規模風場建設的關鍵因素之一。“通過給風機降噪能較大地促進我國風力發電事業的發展，盡早實現我國電力結構改革和碳中和目標，這也將會是我今后研究的重點。”呂本帥不無堅定地說道。

呂本帥在北京大學的研究組以波動物理命名，意在研究一系列與波動相關的物理問題。例如，除氣動聲學相關的研究外，呂本帥還進行著流體不穩定性以及發動機的熱聲不穩定問題的研究。航空與火箭發動機通過燃燒燃料產生動力。然而或許令大家感到意外的是，不穩定燃燒的火焰也會產生聲波，這種聲波會反過來影響火焰燃燒的不穩定程度。當這種反饋是正向反饋時，火焰會越發不穩定，進而聲波壓力脈動越發劇烈。如果聲波壓力幅值不斷增大到超出結構的承受范圍，則會出現機毀人亡的事故。在呂本帥回國后的研究規劃中，也包括對這種熱聲不穩定問題的機理與控制研究。

2018年博士畢業典禮時與父母在劍橋大學休斯學堂主樓前合影

教育·薪火相傳

呂本帥很清楚，中國氣動聲學研究領域的發展是需要一代又一代學者一起向前推進的。因此在個人研究規劃之外，他對教育也有著清晰的認知與認真的規劃。“要做出一流的原創科研成果，必須培養具備扎實的數學物理和氣動聲學理論基礎的學生。”為此，呂本帥專門從英國購入了物理及聲學領域的英文原版經典教材，凡是他的學生，基本都會人手一本。在他看來，學生們只有將物理與聲學的基礎打牢了，才能真正理解研究問題的物理本質，抓住問題的主要矛盾，形成一定的物理直覺，在基礎概念、理論、方法和技術的創新上獲得突破。

“我國的氣動聲學雖然起步較晚，但通過一代代研究人員的不斷努力，我們將有希望在該領域取得不斷進步，在未來趕上甚至超過國際先進水平。”呂本帥說道。而這，不僅是老一輩研究人員的希望，也將是他不懈努力的方向。