四旋翼无人机是一种具备垂直起降和空中悬停能力的飞行器,这种飞行器因其体积小、成本低廉、使用便利以及特有的超强适应性而备受关注。随着四旋翼无人机控制技术的日趋成熟,四旋翼无人机已经开始在我们的生活和工作中扮演重要的角色。但是四旋翼无人机的噪声问题一直没有得到很好解决,研究低噪声的四旋翼无人机将对其在各行各业中进一步推广具有重要意义。猫头鹰是能够进行悄无声息的捕食,这种静音飞行的特性带来了诸多猫头鹰仿生工程研究。本文在分析小型四旋翼无人机噪声组成的基础上,确定无人机旋翼的主要噪声来源为旋翼的气动噪声,通过在静音室和空旷的场外分别进行四旋翼无人机在低雷诺数下工作的噪声测试,确定本文选用的无人机噪声级别。基于猫头鹰翅膀的三种结构特征(尾部羽毛尖端梳状结构、前缘凸起结构和下表面凸起结构阵列),采用仿生学手段,尝试在无人机旋翼上分别添加这三种仿生结构,探究其对旋翼气动性能和声学性能的影响,从而优选改善旋翼噪声的设计方案,达到对四旋翼无人机降噪的目的。基于猫头鹰翅膀尾部羽毛尖端梳状结构,本文采用两种方式来模拟这种梳状结构:一种方式是使用毛刷纤维按一定间隙将其固定在旋翼的尾部,另外一种方式是采用在旋翼尾部粘贴剪切成锯齿状的聚氯乙烯材料来模拟梳状结构。分别就这两种方式,各设置了几组仿生结构参数不同的旋翼实验。通过实验发现,添加毛刷梳状结构的旋翼噪声比原型旋翼低,最大能降低1.5dB;添加锯齿结构的仿生旋翼也有一定的降噪效果,相比较原型旋翼,最大能降低2.5dB;这两种方式的仿生梳状结构对旋翼的气动性能影响较弱,基本可以忽略;同时发现锯齿结构的仿生旋翼在降噪效果上优于毛刷结构的仿生旋翼。对梳状结构仿生旋翼的数值模拟结果显示梳状仿生结构能有效改善翼型尾部噪声功率,但对翼型的气动性能基本没有影响。这些梳状结构能够梳理尾部气流,抑制大的涡流产生,从而降低旋翼尾部的噪声,且锯齿结构的改善效果要优于毛刷结构。基于猫头鹰翅膀前缘凸起结构,本文尝试利用三维建模对原型旋翼的前缘添加等间距的凸起结构,再利用3D打印技术,选用玻璃纤维材质,对添加前缘凸起结构的仿生旋翼进行加工;对前缘凸起仿生旋翼的实验表明,前缘凸起结构能在一定程度上提升旋翼的升力系数,在工作转速(3000r/min)下,相比较加工的原型旋翼升力提升了 2.9%;但是,在同等转速下,前缘凸起结构并不能改善旋翼的气动噪声,相反会稍微增大旋翼噪声;根据旋翼气动性能和声学性能的综合对比,发现添加高度为8mm、间距为20mm和40mm的前缘凸起结构仿生旋翼取得最佳改善效果,在提供同等升力的情况下,旋翼噪声最小。对前缘凸起仿生旋翼的数值模拟使用动网格方法,数值仿真结果表明,前缘凸起结构对旋翼的气动改善效果明显,但是前缘凸起结构会增大气动噪声。分析前缘凸起结构对旋翼增升作用机理,可以从两个方面来理解,一是添加的凸起结构会增大旋翼受力面积,从而增大旋翼的升力;另一个方面是前缘凸起结构相当于涡流发生器,在旋翼前缘上表面形成一定的低压区域,从而增大旋翼上下表面的压差,提升旋翼的升力,但是这些增加的涡流会增大气动噪声。对于猫头鹰翅膀下表面凸起结构阵列(或者说是条纹结构),尝试在旋翼下表面尾部一定区域内添加凸起结构阵列的方式来探究这种仿生结构对旋翼性能改善效果,实验数据表明,下表面凸起结构阵列能有效地提升旋翼的升力系数,在工作转速下,仿生旋翼升力最大提升了 12.9%;但是在同转速下,下表面凸起结构阵列并不能较好的改善旋翼噪声;对比升力与噪声的关系图,可以发现第二组仿生旋翼(下表面凸起结构的参数为:夹角为8°,间距为10mm,厚度为1mm)综合性能表现最佳,在3000r/min转速下,升力较3D打印加工的原型旋翼提升了 8.2%,较碳纤维材质原型旋翼提升了 6.2%,噪声比碳纤维原型旋翼降低了 2dB。对下表面凸起结构阵列的仿真结果显示,下表面凸起结构阵列可以有效地提升旋翼升力,对旋翼表面的声功率影响较小。根据旋翼表面压强分布对比分析,发现在仿生旋翼下表面凸起结构的位置,压强比原型旋翼增大,这说明下表面凸起结构会对旋翼下表面的气流产生一定粘附作用,延缓下表面气流的脱离,增加凸起结构处表面涡流,增大旋翼下表面的压力。从声学性能和气动性能两方面来考虑,下表面凸起结构阵列能够有效提升旋翼的升力,则在产生同等升力的情况下会降低旋翼转速,从而降低旋翼噪声。