鼠海豚聚焦聲納束顛覆物理定律—新聞—科學網

2020-12-06 科學網

鼠海豚的秘訣都在頭部。 圖片來源：Stephen Frink Collection

鼠海豚的頭部有聲學控制組合，可以使它們將定向的聲吶束聚焦在獵物上。它們顱骨中骨骼、氣體和組織的表現就像一種超材料，可以顛覆通常的物理規律。這些海洋哺乳動物可以將非定向聲波轉換成一種狹窄的聲脈衝。

像海豚一樣，鼠海豚可以用回聲定位探測水下30米之外的獵物。為了做到這一點，它們會在面部前方發出高頻率的點擊，來控制聲吶束的方向，而不用移動頭部。在接近目標時，它們也能加寬波束，幫助捕捉試圖逃跑的魚。

但鼠海豚如何聚焦聲吶束卻是個謎，尤其是它們產生聲音的結構——被稱為「音唇」——比其發出的點擊聲的波長更小。這應該會導致波形被擴散而不是具有針對性。原來，其頭部前方一個被稱為「額隆」大脂肪器官似乎很重要，但它所發揮的具體作用卻並不清楚。

為此，一個中外國際合作團隊對一隻江豚進行了計算機斷層（CT）掃描，以測量其頭部不同組織的聲學特性。他們的研究成果即將發表於《應用物理評論》。研究人員還收集了鼠海豚聲音信號的現場錄音，並建立了數學模型來模擬鼠海豚如何發出和控制聲音束。

「這種動物很難做實驗。」中國廈門大學海洋與地球學院教授張宇說，「CT和電腦模擬能幫助我們了解海豚頭部的情況。」結果表明，關鍵在於額隆、頭骨和氣囊在頭部協同工作，將聲波定向到一個方向。鼠海豚頭部的每個部分都以不同方式反射、折射和散射聲音，使聲音以不同速度在它們之間通過。

鼠海豚可以通過用面部肌肉壓縮額隆來擴散聲波。這可以讓它在追逐魚的同時，讓魚停留在「視線」之內。該成果共同作者、美國賓夕法尼亞州立大學的Wenwu Cao說：「鼠海豚生物聲納系統所用原理與我們在教科書中學到的不同。」他說，其中隱含著設計小型精確聲吶系統的新方法，從而用於在海洋中定位目標。

它或許還能幫助人們用一種可將這些類似特性結合在一起的原子結構製作超材料。英國愛丁堡赫瑞瓦特大學的Keith Brown說，這對設計轉換器或變頻器可能會特別有用，即將電子脈衝轉變為聲波的聲吶系統的一部分。（馮維維）

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