作者：Tom Sawyer

美国93号航班国家纪念馆的最后一个组成部分——“众声塔”可能最终会在今年秋天进行调整。

今年10月，CAD和施工管理荣誉退休教授诺德·恩布罗登，两次陆地游艇航行速度的世界纪录保持者，预计将在宾夕法尼亚州尚克斯维尔附近的93号航班国家纪念馆登塔，为了最终调整40个铝帆的索具。他设计了一个可以让塔楼“说话”的装置。

“众声塔”是这项耗资5600万美元建设纪念公园的三期工程的最后一部分。位于洛杉矶的保罗·默多克建筑师事务所在2005年的设计竞赛中胜出，该设计方案包括一座93英尺高（约28.35米）的塔楼，可容纳40个5到10英尺（1.524～3.048米）长、直径8英寸（约0.20米）的管状风铃。

风铃的随机旋律是纯粹和谐的音符，有时有不和谐的共振，意在唤起乘客和机组人员在2001年9月11日在与劫机者搏斗的最后时刻的声音，驾驶舱的录音和留给亲人的电话信息显示，劫机者显然决意使用飞机袭击华盛顿特区。“声音”主题贯穿了纪念馆广阔的景观、游客中心和签名塔。

但在2018年，随着塔楼结构工程完工，9月份的落成仪式到来，设计公司创始人、总裁兼项目负责人保罗·默多克及其顾问和工程师团队仍在努力让风铃“说话”。

让风铃“说话”是献给2018年9月8日举行的“断音”仪式的礼物，当时只有八个风铃。默多克说，虽然声音很美，但风很轻，而且利用这种声音的机制，未能提供让风铃“交谈”所需的整洁、频繁、有力的打击。金属帆本来是用来乘风摆动、震荡发声，效果却不理想。于是采用了备用方案，在仪式上用绳子手动敲响铃声。

默多克说，一开始看似相对简单的工程任务，结果却是一个“极其困难”的问题。他逐渐意识到，考虑到项目中已经存在的结构和性能限制，最初的风帆设计是行不通的。他说：“我们有一个过于强大的组件，它经久耐用，承受了很大的力，但它的浮力不够，无法在风中发挥作用。从那时起，我意识到我们需要找一个能够调和这两个极端的人。”

2019年3月，当站在领奖台上接受ENR年度新闻人物奖时，默多克回忆说：“如果观众中有人知道如何制作风铃，我们愿意接受他。”他补充说，“我认为他们没有把我当回事。但我是认真的。”

迭 代

问题在于，帆没有产生足够的动力来克服不锈钢组件不断增长的重量和复杂性，包括吊杆和柔性连接件用于悬挂吊杆和下面的帆，以及限制帆的航行的控制器，以避免在拥挤的塔内发生碰撞。

每一个部分都必须承受高重复的压力，在年复一年、十年又十年不断运动的恶劣环境中生存下来。每个元件的额定值必须能够经受400年一遇的风暴和4.73KPs（4730lbs）的载荷。

默多克说，设计和施工过程是高度迭代的，每一步都要对建模、实物模型和原型序列进行评估，以进行设计调整。它始于2016年11月的风铃管，随后是悬挂系统、撞击杆和帆。

默多克说，设计师与美国国家公园管理局签订合同确认，这将是一个分阶段的过程，涉及一系列具体范围和一次性费用。“每一次谨慎的迭代都将为下一阶段的需求提供更清晰的信息。设计团队和业主共担风险，我们尽可能地协调这些风险。”

众声塔项目曾两次被搁置数月，一次是2018年10月至2019年4月，原因是政府将项目停了，另一次是国家公园管理局在投入使用后的第二年数月。默多克说：“国家公园管理局想退后一步，评估如何将项目继续下去。”

约束条件

默多克组建了一支不同寻常的专家团队，帮助解决设计过程中出现的许多难题。除了来自奥雅纳的结构、动力、机械和声学工程师等更传统的资源外，他还聘请了一位音乐家和调音理论家、风铃艺术家和风力顾问来开发风铃管，并找出它们应该演奏的音符。

最初的一项测试是为了证明，将风铃的不锈钢撞击杆及其撞击力隐藏在直径为8英寸（约0.20米）的每一个圆柱形铝管内的想法是否正确。默多克的愿景是给每个风铃“内在的声音”。他说，“从象征意义上讲，我们觉得这更符合我们所追求的纪念活动。”

但风铃的管壁是半英寸（1.27厘米）厚，撞击杆直径3英寸（7.62厘米）占据中心，撞击杆间歇加速敲击管子，使其发出音符。

默多克表示，他的风铃艺术家顾问格雷格·佩恩认为内部撞击杆行不通，但2017年8月的现场测试证明行得通。洛杉矶奥雅纳声音实验室的声学工程师们采集了七种长度的风铃声的全谱三维录音，用不同的撞击和阻尼材料分析其共振的质量和振幅。

默多克说，在测试过程中，在第一天缆绳失效后，用不锈钢缆绳将风帆悬挂在撞击杆身上的想法被粉碎了。这导致了新一轮的修改和在撞击杆、帆和控制器之间使用不锈钢棒、钩环和球接头新连接的模型。

2018年，位于伊利诺伊州莫顿市的鼓和打击乐器制造商福盖特在一座塔楼上对新组件进行了多次测试，但每次修改都增加了机械的质量和复杂性，并进一步抑制了风的响应。

默多克承认，他曾“多次”对他们可能无法让这些声音发挥作用而感到失望。“面对所有的挑战，非常困难，但这三个挑战尤其突出：塔楼的边界、风铃管的结构、在风中运行并经得起磨损，这些挑战已经足够强大，但归根结底，这取决于每个组合的设计，以及理解它们作为一个组件的行为……最终的设计比任何人预期的都更具挑战性。”默多克说。

当默多克努力利用风力时，他开始与水手们讨论这个问题，“因为他们熟悉如何解读风力并利用风力进行运动。”但是，他发现，即使他们对风的行为有很好的理解，他们为适应帆船装备而提出的所有建议都无法经受数十年的考验和极端条件。然后，在2019年4月，一名水手建议他与诺德·恩布罗登谈谈，据说他知道如何设计和制造高性能的机翼和非常坚固、轻便、风力驱动的机器。

恩布罗登是加利福尼亚州维克多维尔市维克多山谷学院的名誉教授，已经70岁了。他在那里开发并教授建筑和建造、绘图和工程、施工和制造技术等课程，并于20世纪80年代初在那里开设了美国首批CAD课程之一。他的父亲是一名航海工程师。恩布罗登说，他从小就开始建造陆地帆船。20年来，他一直保持着陆地游艇速度的两项世界纪录之一，目前担任诺德设计公司的首席设计师、首席工程师和首席执行官，经营着陆地游艇设计和制造业务。

恩布罗登回忆道，“这应该是一个相当快的项目。”他说：“我们检查了所有的组件，我记得保罗说，‘我们拥有所有这些部件，我们希望你们尽一切可能使用它。’”“我不得不尽量珍惜一系列的成品——几乎每一件都是定制的，却是很少使用。它经过了精心设计，最终无法使用。”

难 题

恩布罗登解释说：“这是一个棘手的问题，因为我们需要满足建筑工程方面非常高的标准，但是让帆达到全速的运动量只有三或四英寸。它必须从零到最高速度，敲响风铃，然后自行重置。这是一个相当大的难题。”

默多克表示，他们于2019年4月开始在奥雅纳举办为期两天的研讨会，向恩布罗登介绍该项目。“到10月，我们能够测试一些成功产生风力打击的帆。”首批帆是三种设计的胶合板模型，随后由伊利诺伊州的福盖特公司用铝制造并测试。每一种都有不同的行为特征，但它们都起作用，证明了概念的正确性。

默多克回忆道，国家公园管理局选择了三种设计中最具活力的一种，但随后关了该项目六个月，同时评估如何最好地推进，并确定了从概念原型到完整制造和安装所需的资源。在下一阶段，它将福盖特公司替换为位于纽约州布劳维尔ARCH设计公司。ARCH最终制造了40个风铃，并于2020年9月安装。

当国家公园管理局最终为恢复工作开绿灯时，团队又开始工作，并集中精力重新分析整个风铃组件，以寻找减轻和简化风铃的方法。

恩布罗登在谈到减轻组件时说，他想更换的一个部件是下杆和球节，以限制帆的运动范围。他建议用绳子代替。

默多克说，他很早就提出了使用绳子，但由于对绳子的强度和耐久性的怀疑，工程师们拒绝了这个想法。就在那时，恩布罗登在荷兰推出了一种超高分子聚乙烯绳索，DSM以迪尼玛（聚乙烯纤维）的名义在市场上销售。它被誉为世界上最强的纤维。根据公司文献，超级油轮和拖船因其强度高、重量轻和寿命长而将其用于系泊和拖缆。DSM声称，用它制成的绳索比同样尺寸的钢丝强度稍高，重量则轻7到10倍。

恩布罗登说：“这是一条非常好的绳子，而且很牢固。”

默多克说，工程师们仍然持怀疑态度，但诺德在绳索方面的丰富经验可能影响了他们。默多克说：“另一件事是看到这种昂贵的金属构件是多么的有限，而且这种机制不太可能起作用。”他补充道，该项目“在我们重新投入的过程中开始了新的篇章”。

高功率的帆是关键

恩布罗登的高功率帆是关键。由于其配置为成对、平行、垂直的机翼，其中一个机翼的前缘稍微靠后，又在另一个机翼的内侧，因此它们会快速加速并产生坚实的撞击力。比成对箔片末端宽的平板“气坝”垂直设置，以覆盖其顶部和底部。“气坝”防止了能量消耗的湍流，并保持气流与机翼平行。

恩布罗登解释说，物理学要求穿过箔材内部和外部的分子在后缘重新结合在一起，就像它们分开之前围绕帆旋转一样。这会导致流经较长外曲线的分子扩散，以跟上穿过较短内路径的分子，从而在较长侧产生相对于内曲线或提升曲线压力的压降。帆的曲线形状使前端的升力更大，从而推动帆向前运动，该运动的速度与风速相加，从而增加帆前缘的视风速。

恩布罗登解释说：“我们是在风中工作的。功率上升非常迅速，这增加了帆的前进速度，又增加了视风速，循环继续。”另外，重叠箔起到了放大器的作用。根据这些原理，恩布罗登的陆地游艇“银弹”的速度比实际风速快7倍。

恩布罗登还指定了一种制造和组装工艺，强调通过避免微小障碍物来保持气流清洁。风帆可以从上到下翻转，以进行右侧或左侧安装，具体取决于风铃位置的风况。他还设计了两端带有可选择连接点的旋转支架，以允许帆以微小的前倾角度悬挂。当缆绳在航行结束时将帆猛拉到停止位置时，支架转动以减轻结构上的张力。

恩布罗登根据塔中每个位置的风力特性，指定了不同的连接点，用于设置特定风铃声的拴绳。他还建议改用来自犹他州奇石有限责任公司生产的攀岩者使用的轻型转环，以进一步减轻绳索的重量。

当系绳正确设置且帆的角度恰好正确时，帆会迎风向前奔跑，但在撞击时，系绳会使帆缩短。旋转底部支架处稍微偏离中心的系带连接突然停止会导致帆的前缘在风中扭曲，或发生变幅，从而使帆失去动力，并使其落下并重新启动。

要让“众声塔”经常“对话”和强烈地“讲话”，关键取决于帆的性能。恩布罗登希望在今年10月有机会调整制造商去年安装的帆，优化帆的性能。他说，“扩大塔的可操作范围将导致风铃在轻风中产生‘更多的对话’。”

计算部件的重量以应对疲劳载荷和日常力的过程时，仍然能够对风做出反应。默多克说，“这是一个很难解决的技术问题。”但最终，塔楼会“说话”，默多克希望在恩布罗登10月份进行调整后，塔楼会“说得更多”。他说：“这真是一个非常漂亮和辉煌的设计。”