厦门大学海洋与地球学院

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张宇教授课题组在重建江豚声学系统的人工结构研究上取得新进展
COE COE 2019/12/3 1066 返回上页

近日,我院张宇教授课题组在重建江豚声学系统的人工结构研究上取得新进展。最新成果“Physical modeling and validation of porpoises’ directional emission via hybrid metamaterials”在国际著名Top类学术期刊《National Science Review》杂志(我国第一份英文版自然科学综述性学术期刊,影响因子13.222)发表,论文第一署名单位为厦门大学海洋与地球学院水声通信与海洋信息技术教育部重点实验室。 

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,根据经典声学理论,要调控指向性声波实现定向目标探测是很困难的(Phys. Rev. Appl. 8, 064002 [2017]),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声学人工设计而言是个巨大的挑战。

张宇教授和他的博士研究生董尔谦、美国麻省理工学院(MIT)方绚莱教授等近期在这方面取得突破性进展,提出用人工复合超材料来重构江豚声学结构。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。

此外,该声学人工结构在抑制假目标干扰方面显示出了良好的效果,有助于提高声探测的信噪比,并区分静态目标和动态干扰物。该研究表明声学人工材料为重构江豚复杂的声学系统提供重要技术手段,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。此项研究成果积极扩大了厦门大学在生物声学与仿生研究的国内外影响力。

该工作获得了国家重点研发项目(No.2018YFC1407504)、国家自然科学基金(No. 41676023, 41276040, 41422604)等的资助。

文章来源:Erqian Dong, Yu Zhang, Zhongchang Song, Tianye Zhang, Chen Cai, Nicholas X Fang, Physical modeling and validation of porpoises’ directional emission via hybrid metamaterials, National Science Review, nwz085

文章链接:https://doi.org/10.1093/nsr/nwz085

Figure 1. Design of PPM device.

Figure 2. PPM capable of propagating directional waves.

Figure 3. Experimental validation of the directional PPM system.

Figure 4. Directional target detection application of the PPM device.