Flow Features of the Near Wake of the Australian Boobook Owl (Ninox boobook) During Flapping Flight Suggest an Aerodynamic Mechanism of Sound Suppression for Stealthy Flight

Integr Org Biol. 2019 Feb 19;1(1):obz001. doi: 10.1093/iob/obz001. eCollection 2019.

Abstract
in English, Hebrew, Portuguese, Bengali, Chinese, Spanish, Tamil

The mechanisms associated with the ability of owls to fly silently have been the subject of scientific interest for many decades and may be relevant to bio-inspired design to reduce noise of flapping and non-flapping flying devices. Here, we characterize the near wake dynamics and the associated flow structures produced during flight of the Australian boobook owl (Ninox boobook). Three individual owls were flown at 8 ms-1 in a climatic avian wind tunnel. The velocity field in the wake was sampled at 500 Hz using long-duration high-speed particle image velocimetry (PIV) while the wing kinematics were imaged simultaneously using high speed video. The time series of velocity maps that were acquired over several consecutive wingbeat cycles enabled us to characterize the wake patterns and to associate them with the phases of the wingbeat cycle. We found that the owl wake was dramatically different from other birds measured under the same flow conditions (i.e., western sandpiper, Calidris mauri and European starling, Sturnus vulgaris). The near wake of the owl did not exhibit any apparent shedding of organized vortices. Instead, a more chaotic wake pattern was observed, in which the characteristic scales of vorticity (associated with turbulence) are substantially smaller in comparison to other birds. Estimating the pressure field developed in the wake shows that owls reduce the pressure Hessian (i.e., the pressure distribution) to approximately zero. We hypothesize that owls manipulate the near wake to suppress the aeroacoustic signal by controlling the size of vortices generated in the wake, which are associated with noise reduction through suppression of the pressure field. Understanding how specialized feather structures, wing morphology, or flight kinematics of owls contribute to this effect remains a challenge for additional study.

היכולת של ינשופים לעוף בצורה שקטה עוררה עניין מדעי רב במשך עשרות שנים ומהווה כיום מקור להשראה בתכנון כלי טיס מאוישים ובלתי מאוישים. בעבודה זו, אנו מאפיינים את שדה הזרימה בעקבה של הינשוף תוך כדי תעופה בנפנוף מתמיד. שדה הזרימה בעקבה (שובל) של שלושה ינשופים מסוג ינשוף נצי (Ninox boobook) נמדד במנהרת רוח סגורה מבוקרת לחץ וטמפרטורה, כאשר מהירות הרוח נקבעה על 8 מטר/שנייה. שדה הזרימה שנוצר בעקבה שהתפתחה מאחורי כנף הינשוף נמדד באמצעות מערכת מדידה מסוג High-speed Particle Image Velocimetry כאשר השדה נדגם בתדירות של 500 הרץ. מצלמת וידאו מהירה צילמה את הינשוף תוך כדי טיסה על מנת לאפיין את תנועת הכנף ואיפיון של מחזור הנפנוף. מאפייני ומבנה השובל אשר התפתחו בעקבה התקבלו ממדידת שדה המהירויות בזמן ובמרחב לאורך מספר מחזורי נפנוף רציפים. מדידת תנועת הכנף בו זמנית עם מדידת המהירות בעקבה אפשרה התאמה בין מאפייני השובל ושלבים שונים במחזור הנפנוף. נמצא כי שדה הזרימה בעקבה של כנף הינשוף שונה באופן משמעותי בהשוואה לזרימה בעקבות של ציפורים אחרות אשר נבחנו ונמדדו בתנאי ניסוי זהים באותה מנהרת רוח: חופית (Calidris mauri) וזרזיר מצוי (Sturnus vulgaris). השלת מערבולות המאפיינת שובלים של גופים בשדה זרימה לא נצפתה בעקבת הינשוף, במקומן נמדד שובל כאוטי ללא השלה מסודרת של מערבולות. השובל התאפיין בערכי ערבוליות נמוכות ובגדלי אורך ערבוב (אשר מאפיינים טורבולנציה) קטנים בהשוואה לשובל שהתפתח מאחורי הציפורים האחרות. מדידת המהירות אפשרה את חישוב שדה הלחצים בעקבה דרך שימוש במטריצת הסיאן (pressure Hessian) של הלחץ אשר מתקבל ממשוואות השימור של שדה הזרימה. שדה הלחצים בקירוב היה שווה לאפס בעקבה של הינשוף. אנו משערים כי הינשוף, תוך כדי טיסה, מתמרן את שדה הזרימה בעקבה אשר מתפתחת מאחורי כנפיו על מנת להנחית את הרעש האווירודינמי על ידי שליטה ובקרה של הערבוליות. שינוי הערבוליות בשדה גורם לשינוי בשדה הלחץ ואי לכך גורר באופן ישיר לשינוי ברמת הרעש האווירודינמי. מחקר נוסף נדרש על מנת לאפיין את תרומת המרכיבים הספציפיים כגון: מבנה הנוצות, מבנה הכנף, תנועת הכנף בנפנוף וכו׳, בשינוי אופיין הזרימה והנחתת הרעש בעקבה.

Características do fluxo de esteira proximal da coruja Ninox boobook durante o vôo batido sugerem mecanismo aerodinâmico de supressão sonora para vôo furtivo Características do fluxo de esteira proximal da coruja Ninox boobook durante o vôo batido sugerem mecanismo aerodinâmico de supressão sonora para vôo furtivo (Flow features of the near wake of the southern boobook owl (Ninox boobook) during flapping flight suggest an aerodynamic mechanism of sound suppression for stealthy flight) translated to Portuguese byG Sobralgabisobral@gmail.com Os mecanismos associados à capacidade das corujas de voar silenciosamente têm sido objeto de interesse científico há muitas décadas e podem ser relevantes para o biodesign ao reduzir o ruído de dispositivos voadores com flapping e não-flapping. Aqui, caracterizamos a dinâmica da esteira proximal e as estruturas associadas de fluxo produzidas durante o vôo da coruja Ninox boobook. Três corujas voaram em um túnel de vento climático a 8 ms - 1. O campo de velocidade na esteira foi amostrado a 500 Hz usando velocimetria de partícula por imagem (PIV) de alta velocidade e longa duração, enquanto a cinemática da asa foi visualizada simultaneamente usando vídeo de alta velocidade. A série temporal de mapas de velocidade que foram adquiridos ao longo de vários ciclos de batida de asas consecutivos nos permite caracterizar os padrões de esteira e associá-los às fases do ciclo. Descobrimos que a esteira produzida pela coruja era dramaticamente diferente de outras aves medidas sob as mesmas condições de fluxo (i. e., maçarico ocidental, Calidris mauri e estorninho comum, Strunus vulgaris). A esteira proximal da coruja não exibia qualquer desprendimento aparente de vórtices organizados. Em vez disso, foi observado um padrão de esteira mais caótico, no qual as escalas de vorticidade características (associadas à turbulência) são substancialmente menores em comparação com outras aves. Estimar o campo de pressão desenvolvido na esteira mostra que as corujas reduzem o Hessiano da pressão (i. e., a distribuição de pressão) para aproximadamente zero. Nossa hipótese é de que as corujas manipulam a esteira proximal para suprimir o sinal aeroacústico, controlando o tamanho dos vórtices gerados na esteira, que estão associados à redução de ruído através da supressão do campo de pressão. Entender como as estruturas especializadas das penas, a morfologia das asas ou a cinemática do vôo de corujas contribuem para esse efeito continua sendo um desafio para serem explorados em estudos adicionais.

সারাংশপেঁচার নিঃশব্দ উড্ডয়ন ক্ষমতার সাথে সম্পর্কযুক্ত পদ্ধতিগুলি বিগত কয়েক দশক ধরে বৈজ্ঞানিক আগ্রহের বিষয় হয়ে উঠেছে এবং যেটা ডানা ঝাপ্টানো এবং ডানা না ঝাপ্টাতে পারা উড্ডয়ন সক্ষম বস্তুগুলোর নিঃশব্দ উড্ডয়নে জৈব-অনুপ্রাণিত নকশা প্রণয়নে সহায়ক ভূমিকা পালন করতে পারে। এখানে আমরা উড্ডয়নরত দক্ষিনস্ত বুবুক পেঁচার (Ninox boobook) নিকটস্থ বায়ুঘুর্নীর গতি প্রকৃতি এবং বায়ু প্রবাহের কাঠামো বিশ্লেষন করেছি। তিনটি পৃথক পেঁচাকে জলবায়ু নিয়ন্ত্রনসক্ষম উইন্ড টানেলে ৮ মি/সে গতিতে উড়ানো হয়েছিল। দীর্ঘস্থায়ী উচ্চ-গতির কণা চিত্র ভেলোসিমেট্রি (PIV) ব্যবহার করে ৫০০ হার্টজ কম্পাংকে গতিবেগ ক্ষেত্র পরিমাপের নমুনাটি সংগ্রহ করা হয়েছিল এবং উইং কাইনেমেটিক্স উচ্চ গতির ভিডিও ব্যবহার করে একই সাথে চিত্রিত করা হয়েছিল। বিভিন্ন ধারাবাহিক উইংবিট চক্রগুলির ক্রমবর্ধমান সময়ের সাথে অর্জিত গতিচিত্র আমাদেরকে উড্ডয়ন পরবর্তী বায়ুঘুর্ণীর আকার, আকৃতি এবং বিন্যাস চিহ্নিত করতে এবং উইংবিট চক্রের পর্যায়গুলির সাথে সম্পর্কযুক্ত করতে সহায়তা করে। আমরা পর্যবেক্ষন করেছি যে পেঁচার উড্ডয়ন পরবর্তী বায়ুঘুর্ণীর আকার, আকৃতি এবং বিন্যাস একই গতিতে পরিচালিত অন্যান্য পাখির (যেমন ওয়েস্টার্ন স্যান্ডপাইপার Calidris mauri, এবং ইউরোপীয় স্টারলিং Strunus vulgaris) পরিক্ষনে প্রাপ্ত তথ্য-উপাত্ত এর চেয়ে উল্লেখযোগ্যভাবে আলাদা। পেঁচার ক্ষেত্রে উড্ডয়ন পরবর্তী নিকটস্থ বায়ুঘুর্ণীগুলো কোনো সুসংগঠিত ভরটেক্স শেডিং প্রদ্রর্শন করেনি এবং এর পরিবর্তে, আরো বিশৃঙ্খল বায়ুঘুর্ণীবিন্যাস পরিলক্ষিত হয়েছিল যেটায় ভর্টিসিটির আকৃতি (টার্বুলেন্স সম্পর্কিত) উল্লেখযোগ্যভাবে অন্যান্য পাখিগুলোর চেয়ে ছোট ছিল। উড্ডয়ন পরবর্তী বায়ুঘুর্ণীতে উতপন্ন চাপক্ষেত্র (যেমনঃ চাপবিন্যাস) পরিমাপ করে দেখা গিয়েছে যে পেঁচা চাপ হেজিয়ান কমিয়ে শুন্যর একেবারে কাছাকাছি নিয়ে আসে। আমরা ধারণা করি যে, পেঁচা উড্ডয়ন পরবর্তী বায়ুঘুর্ণী অঞ্চলে ভর্টিসের আকার নিয়ন্ত্রণ করে অ্যারোএকোস্টিক সংকেতকে প্রশমন করে যেটা চাপ ক্ষেত্র প্রশমনের মাধ্যমে শব্দ হ্রাসের সাথে সম্পর্কযুক্ত। পেঁচার বিশেষ পালক কাঠামো, পাখার অঙ্গসংস্থানবিদ্যা, অথবা ফ্লাইট কাইনেমেটিক্স এই নিঃশব্দ উড্ডয়নে কতটুকু ভূমিকা রাখে তা বুঝতে পারাটা ভবিষ্যত গবেষণার জন্য একটি চ্যালেঞ্জ।

布克鹰鸮在飞行过程中的尾流特征表明了无声飞行的空气动力学机制。摘要近十几年来, 猫头鹰无声飞行的机制一直都是科学研究的主题, 这启发了关于减少振动和无振动飞行装置噪音的设计。这篇文章中, 我们描述了在布克鹰鸮飞行过程中的尾流动力特征以及相关的气流结构。在风洞中, 三只猫头鹰以8 ms-1 速度飞行。当使用高速视频来记录翅膀动能时, 长时间高速粒子图像测速 （PIV） 也以500Hz对尾流的速度场进行采样。通过几个连续的翼拍周期, 我们获得了速度的时间序列场, 这使我们能够刻画尾流模式并且将它们与翼拍周期的相位相关联。在相同的气流条件下, 我们发现猫头鹰的尾与其他鸟类 （例如, 西方滨鹬、欧洲椋鸟、紫翅椋鸟） 显著不同。猫头鹰尾部并没有呈现出规律的漩涡减少。相反, 我们观测到的更混乱的尾迹模式, 涡度的特征尺度 (与湍流相关)明显小于其它鸟类。估测的尾流气压场表明猫头鹰能够降低气压海森矩阵（例如, 气压场的分布）到0。我们认为猫头鹰能够抑制压力场来降低噪声, 进而通过改变尾流来控制尾流中产生的涡旋大小, 进而抑制气动声学信号。理解如何猫头鹰的特殊羽毛结构、翅膀形状或飞行动力学产生这种效果仍然是进一步研究的挑战。

Las características de flujo de la estela cercana del búho de boobook del sur (Ninox boobook) durante el vuelo del aleteo sugieren un mecanismo aerodinámico de supresión del sonido para el vuelo sigiloso (Flow features of the near wake of the Australian boobook owl (Ninox boobook) during flapping flight suggest an aerodynamic mechanism of sound suppression for stealthy flight): translated to Spanish byJ Herasherasj01@gmail.com Los mecanismos asociados con la capacidad de los búhos para volar en silencio han sido objeto de interés científico durante muchas décadas y pueden ser relevantes para el diseño bioinspirado para reducir el ruido de los dispositivos de vuelo de aleteo y de no aleteo. Aquí, caracterizamos la dinámica de estela cercana y las estructuras de flujo asociadas producidas durante el vuelo de la búho boobook Australiano (Ninox boobook). Tres búhos individuales volaron a 8 ms - 1 en un túnel de viento climático aviar. El campo de velocidad en la estela fue muestreado a 500 Hz usando una velocimetría de imagen de partículas de alta velocidad (PIV) de larga duración, mientras que la cinemática del ala se fotografió simultáneamente usando video de alta velocidad. Las series de tiempo de los mapas de velocidad que se adquirieron en varios ciclos consecutivos de aleteo nos permiten caracterizar los patrones de estela y asociarlos con las fases del ciclo de aleteo. Descubrimos que la estela del búho era dramáticamente diferente de otras aves medidas en las mismas condiciones de flujo (es decir, Correlimos de Alaska, Calidris mauri y el Estornino Pinto, Strunus vulgaris). La estela cercana de la búho no mostró ningún desprendimiento aparente de vórtices organizados. En lugar, se observó un patrón de estela más caótico, en el que las escalas características de vorticidad (asociadas con la turbulencia) son sustancialmente más pequeñas en comparación con otras aves. La estimación del campo de presión desarrollado en la estela muestra que los búhos reducen la presión Hessian (es decir, la distribución de la presión) a aproximadamente cero. Nuestra hipótesis es que los búhos manipulan la estela cercana para suprimir la señal aeroacústica controlando el tamaño de los vórtices generados en la estela, que están asociados con la reducción de ruido mediante la supresión del campo de presión. La comprensión de cómo las estructuras de plumas especializadas, la morfología de las alas o la cinemática de vuelo de los búhos contribuyen a este efecto sigue siendo un desafío para un estudio adicional.

தென்னக பூபூக் ஆந்தையின் (Ninox boobook) இறக்கைப் பின்னியங்கும் காற்றுப் புலக் கூறுகளின் பண்புகள் பரிந்துரைக்கும், இரைச்சலற்ற-பதுங்குப் பறத்தலுக்கான காற்றியக்கவியல் இயந்திரநுட்பங்கள்

ஆந்தைகளின் இரைச்சலற்றப் பறக்கும் திறனின் பின்னால் இருக்கும் அறிவியல்/இயக்கவியல் ஒரு முக்கிய ஆராய்ச்சி ஆர்வமாக பல ஆண்டுகளாக விளங்குகிறது. மேலும், குறைவான இரைச்சலை உடைய நிலையான இறக்கை அல்லது சிறகடிக்கும் இறக்கைகளுடையப் பறக்கும் எந்திரங்களை வடிவமைக்க அறிவியல் உந்துதலைக் கொடுத்துவருகிறது. இந்த ஆராய்ச்சிக் கட்டுரையில், தென்னக பூபூக் ஆந்தை என அறியப்பட்ட Ninox boobook பறக்கும் பொழுது அலைக்கழிக்கப்படும் காற்றின் இயக்கங்கள் மற்றும் அதனோடு தொடர்புடைய காற்று வடிவக்கூறுகள் ஆகியவற்றின் பண்புகளைத் தொகுத்து விவரித்துள்ளோம். பறவைகளுக்காக வடிவமைக்கப்பட்ட, காலநிலை மாறுபாடுகளை பிரதிபலிக்கும் திறனுடைய காற்றுக்சுரங்கையில் மூன்று தனித்துவமான ஆந்தைகள் நொடிக்கு 8 மீட்டர் வேகத்தில் பறக்க விடப்பட்டன. நெடுநேர, அதிவேக particle image velocimetry (PIV) என அறியப்பட்டத் தொழில்நுட்பத்தைப் பயன்படுத்தி நொடிக்கு 500 படங்கள் வீதம் காற்றின் திசைவேகப்புலங்கள் பெறப்பட்டன. அதனோடு இணையான இயங்கியலை அறிவதற்காக, ஆந்தைகளின் சிறகடிக்கும் இறக்கைகள் தொடர்ச்சியாக அதே அதிவேக வீதத்தில் படம்பிடிக்கப்பட்டன. இத்தகைய பல இறக்கைச்சுழற்சிகளுக்கு பெறப்பட்ட காலத்தொடர் திசைவேக விவரணைகள், காற்று இயக்க வடிவங்கள் மற்றும் கூறுகளை வகைப்படுத்தி, அதை உருவாக்கிய குறிப்பிட்ட நேரத்தில் இறக்கையின் அமைவு மற்றும் நிலையுடன் தொடர்பு படுத்தி பண்புகளை விவரிக்க நமக்கு வாய்ப்புகளை வழங்குகிறது. இதே காலநிலை மற்றும் வேக நிலைத் தேர்வுகளின் படி ஆராயப்பட்ட மற்றப் பறவைகளிருந்து (மேற்கத்திய உள்ளான், Calidris mauri மற்றும் ஐரோப்பிய நாகணவாய், Strunus vulgaris), ஆந்தைகளால் அலைக்கழிக்கப்பட்ட காற்றின் பண்புகள் வியத்தகு அளவிற்கு மாறுபட்டிருப்பது இந்த ஆராய்ச்சியில் கண்டுபிடிக்கப்பட்டது. ஆந்தையின் இறக்கையின் அருகில் உள்ள காற்றுப்புலம், அடுக்கப்பட்ட தொடர்ச்சியான சுழலும் காற்று இயக்க கூறுகளை வெளிப்படுத்தவில்லை. மாறாக காற்றுப்புலமானது மிக ஒழுங்கற்ற சிக்கலான சுழல் காற்றுக் கூறுகளைக் கொண்டிருந்தது. மேலும், இந்த சுழல்காற்றுக் கூறுகளின் பான்மை அளவுகள், மற்றப்பறவைகளினுடன் ஒப்பிடும் பொழுது கணிசமாகக் குறைவாக உள்ளது. தொடர்ந்து, காற்றழுத்தப் புலங்களை அளவீடு செய்து பார்க்கும்பொழுது, ஆந்தைகள் காற்றழுத்த (pressure Hessian) பகிர்தலை/பரவலை ஏறத்தாழ சுழியமாகக் குறைக்கின்றன எனப் புலப்படுகிறது. இங்கனம் நாங்கள், ஆந்தைகளானவை அவற்றின் பின்னியங்கும் காற்றுப்புலத்தைத் திறமையாகக் கையாண்டு சுழல்காற்றுக்கூறுகளின் பான்மை அளவுகளைக் கட்டுப்படுத்துவதின் மூலம் காற்றழுத்தப் புலத்தின் பகிர்தலைக் குறைத்து காற்றொலிசார் சமிக்கைகளை ஒடுக்குகின்றன என அனுமானிக்கிறோம். இத்தகைய காற்றொலிசார் சமிக்கைகளே இரைச்சலுடன் தொடர்புடையவை. தொடரும் ஆராய்ச்சிக்கு, ஆந்தைச் சிறகுகளின் சிறப்பான வடிவமைப்புகள், அவற்றின் இறக்கை வடிவமாற்றுப்பண்புகள் மற்றும் இறக்கை இயங்கியல் ஆகியவற்றைப் புரிந்துகொள்ளுதல் அடிப்படையாகவும் சவாலாகவும் அமைகிறது.