江豚聲吶的人工結構化示意圖(©《中國科學》雜志社)

江豚生物聲吶及其物理模型對水下目標進行探測(©《中國科學》雜志社)

江豚物理模型的指向性聲波束實驗測量(©《中國科學》雜志社)
（神秘的地球uux.cn報道）據EurekAlert!：江豚經過數百萬年的時間，進化出強大的材料生物聲吶，能夠利用回聲定位系統在水下復雜環境實現高準確率、重構高智能的江豚獵物探測和跟蹤。江豚聲源尺寸約為其發射聲波波長的復雜一半，根據經典人工聲吶理論，聲定要調控指向性聲波實現定向的位系目標探測是很困難的（Phys.Rev. App.l2017;8:064002）。具有卓越聲吶探測能力的人工江豚一直是個自然傳奇，如何重構其聲學超級結構對于人工設計而言是材料個巨大的挑戰。
在最近發表于《國家科學評論》（National Science Review,重構 NSR）的研究工作中，廈門大學張宇教授課題組與美國麻省理工學院方絢萊教授課題組在這方面取得突破性進展。江豚他們基于江豚的復雜計算機斷層掃描成像和梯度聲速測量，提出用超材料復合結構來重構江豚物理模型。聲定
該人工結構通過氣囊、位系頭骨和變聲速額隆等多相復雜介質來調控聲波束（氣囊的人工聲散射與反射、頭骨-軟組織的聲固耦合與模式轉化、聲梯度組織材料的相位控制等），并利用聲波作用在目標上產生鏡像回波與彈性回波，從而實現了與江豚聲吶極其相似的指向性瞬態聲發射和目標探測功能。這種指向性的瞬態聲信號能夠提高探測精度、抑制環境背景噪聲干擾以及抑制界面、非探測目標等混響干擾。
聲場模擬和實驗測量表明，江豚物理模型能夠在寬頻范圍內實現指向特性和主軸能量增強效應。而江豚通常采用窄帶聲吶，這表明該物理模型有望進一步擴展聲吶性能。此外，該聲學人工結構在指向性水下目標探測和抑制假目標干擾方面顯示出了良好的效果。實驗測量表明該結構能夠提高水下聲探測的信噪比，區分靜態目標和動態干擾物，以此來確認是實際目標還是虛假目標。
江豚物理模型通過復雜生物系統的人工材料和結構化，填補生物聲納和人工系統之間的空白。江豚物理建模研究既有助于探索生物聲吶的自然之謎，也推動了基于生物傳感原理的仿生技術發展，以期達到“來自于自然，超越自然”目的。其復雜多相介質的聲波調控機理具有普遍性，有望在水聲傳感、無損檢測和醫學超聲等領域有廣泛的應用前景。
文章鏈接：https://doi.org/10.1093/nsr/nwz085