作者:冯维维 来源:科学网 www.sciencenet.cn 发布时间:2017/11/18 15:27:50
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鼠海豚聚焦声纳束颠覆物理定律

鼠海豚的秘诀都在头部。 图片来源:Stephen Frink Collection

鼠海豚的头部有声学控制组合,可以使它们将定向的声呐束聚焦在猎物上。它们颅骨中骨骼、气体和组织的表现就像一种超材料,可以颠覆通常的物理规律。这些海洋哺乳动物可以将非定向声波转换成一种狭窄的声脉冲。

像海豚一样,鼠海豚可以用回声定位探测水下30米之外的猎物。为了做到这一点,它们会在面部前方发出高频率的点击,来控制声呐束的方向,而不用移动头部。在接近目标时,它们也能加宽波束,帮助捕捉试图逃跑的鱼。

但鼠海豚如何聚焦声呐束却是个谜,尤其是它们产生声音的结构——被称为“音唇”——比其发出的点击声的波长更小。这应该会导致波形被扩散而不是具有针对性。原来,其头部前方一个被称为“额隆”大脂肪器官似乎很重要,但它所发挥的具体作用却并不清楚。

为此,一个中外国际合作团队对一只江豚进行了计算机断层(CT)扫描,以测量其头部不同组织的声学特性。他们的研究成果即将发表于《应用物理评论》。研究人员还收集了鼠海豚声音信号的现场录音,并建立了数学模型来模拟鼠海豚如何发出和控制声音束。

“这种动物很难做实验。”中国厦门大学海洋与地球学院教授张宇说,“CT和电脑模拟能帮助我们了解海豚头部的情况。”结果表明,关键在于额隆、头骨和气囊在头部协同工作,将声波定向到一个方向。鼠海豚头部的每个部分都以不同方式反射、折射和散射声音,使声音以不同速度在它们之间通过。

鼠海豚可以通过用面部肌肉压缩额隆来扩散声波。这可以让它在追逐鱼的同时,让鱼停留在“视线”之内。该成果共同作者、美国宾夕法尼亚州立大学的Wenwu Cao说:“鼠海豚生物声纳系统所用原理与我们在教科书中学到的不同。”他说,其中隐含着设计小型精确声呐系统的新方法,从而用于在海洋中定位目标。

它或许还能帮助人们用一种可将这些类似特性结合在一起的原子结构制作超材料。英国爱丁堡赫瑞瓦特大学的Keith Brown说,这对设计转换器或变频器可能会特别有用,即将电子脉冲转变为声波的声呐系统的一部分。(冯维维)

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