齿鲸生物声呐发射特性与波束调控研究

来源：物理学报

文章信息

齿鲸生物声呐发射特性与波束调控研究

Biosonar emission characteristics and beam control of odontocetes

宋忠长, 张宇, 魏翀, 杨武夷, 徐晓辉

物理学报. 2020, 69 (15): 154301

背景介绍

齿鲸生物是生活在水中的哺乳动物。齿鲸生物能在漆黑的环境中轻松躲避障碍物，进行目标探测与捕猎。科学家在1952年成功记录到海豚（齿鲸亚目，海豚科）发出的声信号，从此开启了齿鲸生物声呐研究。齿鲸发出的回声定位声信号具有多样性，这一切都依赖其位于头部的回声定位系统。齿鲸依靠鼻道系统与气腔系统的气流变化驱动声唇（振动器）产生声脉冲。产生的声波经由前额软组织结构、气腔结构与固体上颌骨结构调控往前传播至水中。前额由脂肪性质的额隆、肌肉以及结缔组织组成。前额软组织呈层状分布，内核部分声速、密度较小，中间层是声速、密度稍高的肌肉组织，最外层是结缔组织。上颌骨形成一个高声速、高密度、高折射率的固体介质将声波往上反射进入前额软组织。结缔组织形状像一个号角，能将声波往下、往前引导。上颌骨、气囊系统、鼻道以及前额中的软组织相辅相成，形成声波通道。齿鲸生物声呐的研究涉及领域广，属于交叉学科研究。齿鲸声呐发射系统作为天然的声学超材料结构，能为人工声学材料结构设计提供设计思路。齿鲸的声呐具有较强的自适应性与鲁棒性，性能优于人工声呐系统，能为人工声呐系统设计提供参考。

文章导读

本文以前人工作为基础，对齿鲸生物声呐声发射过程中涉及的各个部分进行介绍，着重总结声发射过程涉及的解剖结构、声呐信号与波束控制。首先介绍如何利用计算机断层扫描成像与超声测量技术重建齿鲸声呐发射系统的解剖结构，获取其声学结构的声速、密度分布，为声呐系统的功能研究建立基础。随后探究回声定位脉冲声信号的特性，研究声信号与齿鲸声学行为之间的联系。最后参考齿鲸生物声呐解剖结构与声呐信号特性建立数值模型研究发射系统的气质结构、软组织结构和骨质结构组成的声学多相介质对声波传播的控制作用。本文综述内容为了解齿鲸回声定位系统的发射部分的工作原理提供做一个系统性的参考，为其工作背后包含的物理机制提供文献依据。后续研究中应加深对齿鲸回声定位系统的机制理解，并参考其工作原理，将研究从理论扩展至实用，设计人工声学系统。

希望本文对于生物仿生、水声声纳、信号处理、水下探测与通信等领域的科研工作有参考价值。

图1 齿鲸生物声呐发射系统

作者介绍

张宇，厦门大学特聘教授，博导。1996—2000年，就读于南京大学声学研究所，获理学博士学位。2000—2009年，先后在美国西北大学(Northwestern University)和威斯康星大学麦迪逊分校(University of Wisconsin-Madison)从事科研。2017—2019年在麻省理工学院(MIT)做高级访问学者。研究领域聚焦于生物声呐、仿生声学等方向，已发表SCI论文103篇，其中在声学领域国际权威期刊J. Acoust. Soc. Am.上以第一作者或者通信作者发表26篇研究论文。担任Phys. Rev. Lett.，J. Acoust. Soc. Am.等多本国际学术期刊的专业审稿人。学术兼职包括中国海洋学会海洋物理分会理事会理事，中国海洋发展研究会应用海洋学专业委员会副理事长，《应用海洋学学报》编委委员等。主持国家自然科学基金、国家重点研发计划等项目，荣获福建省引进高层次创业创新人才、全国高等学校创业教育工作先进个人等称号。