人工材料重构江豚复杂的回声定位系统 _江豚

江豚声呐的人工结构化示意图(©《中国科学》杂志社)

江豚物理模型的指向性声波束实验测量(©《中国科学》杂志社)
（）据EurekAlert!：江豚经过数百万年的时间，进化出强大的生物声呐，能够利用回声定位系统在水下复杂环境实现高准确率、高智能的猎物探测和跟踪。江豚声源尺寸约为其发射声波波长的一半，根据经典人工声呐理论，要调控指向性声波实现定向的目标探测是很困难的（Phys.Rev. App.l2017;8:064002）。具有卓越声呐探测能力的江豚一直是个自然传奇，如何重构其声学超级结构对于人工设计而言是个巨大的挑战。
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在这方面取得突破性进展。他们基于江豚的计算机断层扫描成像和梯度声速测量，提出用超材料复合结构来重构江豚物理模型。
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（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），并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。这种指向性的瞬态声信号能够提高探测精度、抑制环境背景噪声干扰以及抑制界面、非探测目标等混响干扰。
声场模拟和实验测量表明，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。而江豚通常采用窄带声呐，这表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和抑制假目标干扰方面显示出了良好的效果。实验测量表明该结构能够提高水下声探测的信噪比，区分静态目标和动态干扰物，以此来确认是实际目标还是虚假目标。
江豚物理模型通过复杂生物系统的人工材料和结构化，填补生物声纳和人工系统之间的空白。江豚物理建模研究既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发展，以期达到“来自于自然，超越自然”目的。其复杂多相介质的声波调控机理具有普遍性，有望在水声传感、无损检测和医学超声等领域有广泛的应用前景。
文章链接：https://doi.org/10.1093/nsr/nwz085