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江豚的声呐很厉害?我们用人工材料做了个一样的 | NSR研究论文

已有 1386 次阅读 2019-9-12 15:09 |个人分类:国家科学评论|系统分类:论文交流

历经数百万年的进化,江豚拥有强大的生物声呐,能够在水下探测和追踪猎物。在江豚的回声定位系统中,声源尺寸约为其发射声波波长的一半。根据经典的人工声呐理论,要在这样的硬件条件下实现指向性的定向目标探测是非常困难的(Phys. Rev. App. 2017; 8: 064002)。江豚所拥有的卓越声呐探测能力堪称自然传奇。                          


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跳跃的长江江豚(CC BY-SA;摄影:余会功)


在最近发表于《国家科学评论》(National Science Review, NSR)的研究工作中,厦门大学张宇教授课题组与美国麻省理工学院方绚莱教授课题组基于江豚的计算机断层扫描成像和梯度声速测量结果,用超材料复合结构重构了江豚物理模型,实现了与江豚声呐极其相似的指向性瞬态声发射和目标探测功能。


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江豚声呐的计算机扫描图像(左)及其物理模型示意图(右),图中I、II、III、IV、V分别对应额隆、肌肉、结缔组织、头骨和气囊。


该人工结构通过气囊、头骨和变声速额隆等多相复杂介质来调控声波束(其中涉及气囊的声散射与反射、头骨-软组织的声固耦合与模式转化、声梯度组织材料的相位控制等),可以利用声波作用,在目标上产生镜像回波与弹性回波,从而实现了与江豚声呐极其相似的指向性瞬态声发射和目标探测功能,可以提高探测精度、抑制环境背景噪声干扰,并抑制界面、非探测目标等混响干扰。


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江豚生物声呐(上)及其物理模型(下)对水下目标进行探测


模拟和实验结果表明,江豚物理模型能够在宽频范围内实现指向特性和主轴能量增强效应。这与江豚通常采用的窄带声呐不同,说明该物理模型有望进一步扩展声呐性能。

此外,该声学人工结构在指向性水下目标探测抑制假目标干扰方面表现出色。实验显示,该结构能提高水下声探测的信噪比,区分静态目标和动态干扰物,判别实际目标与虚假目标。


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指向性声波束实验测量装置


江豚物理模型实现了复杂生物系统的人工材料和结构化,填补了生物声纳和人工系统之间的空白。这项工作有助于探索生物声呐的自然之谜,也推动了基于生物传感原理的仿生技术的发展,希望最终可以“青出于蓝而胜于蓝”,源于自然而超越自然。其中,复杂多相介质的声波调控机理具有普遍性,在水声传感、无损检测和医学超声等领域有广泛的应用前景。




 文章信息:[点击下方链接]

Physical Modeling and Validation of Porpoise’s Directional Emission via Hybrid Metamaterial

https://doi.org/10.1093/nsr/nwz085



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2 张晓良 韩玉芬

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