厦门大学陈焕阳、张宇：生物仿生变换声学- 大数跨境

两江科技评论

2020-02-10

导读：近日，厦门大学电磁声学研究院的陈焕阳教授课题组与厦门大学海洋与地球学院的张宇教授课题组进行合作，受启发于小抹香鲸前额形变对声波束的调控效应，首次利用保角变换声学方法探讨了其中的物理机制并设计仿生波束调

研究背景

自然是最好的老师，人类的发展史由某种角度来看就是向自然的学习史。仿生学是人类向自然学习的一个方面的体现。齿鲸是大海中的智慧精灵，其中包括我们熟知的海豚，抹香鲸等，一直备受人类的关注。这类生物拥有完整的声呐系统，利用回声定位进行交流、捕食，能够实现指向性声波束的形成和调控。近年来研究发现海豚能够通过压缩前额来调控声呐系统，从而改变声波束角度和宽度。对于这个调控作用人们做了类比性的验证实验和模拟，但是到目前为止还没有相关的物理理论来指导变结构波束调控的仿生系统设计。

创新研究

近日，厦门大学电磁声学研究院的陈焕阳教授课题组与厦门大学海洋与地球学院的张宇教授课题组进行合作，受启发于小抹香鲸前额形变对声波束的调控效应，首次利用保角变换声学方法探讨了其中的物理机制并设计仿生波束调控器件，如图1所示。相关成果以“Bioinspired Conformal Transformation Acoustics”为题发表在期刊“Physical Review Applied”上。

图1 抹香鲸的头部的变形与相对的保角变换坐标分布示意图

如图1所示,（a-c）中变换1表示抹香鲸头部向上变形，变换2表示头部处于原始的状态，变换3表示头部向下变形。图1（d-f）表示与之对应的保角变换坐标分布，（g-i）表示利用保角变换确定的声速分布。基于此仿生设计原理, 研究人员通过数值仿真和水下实验验证了所设计的仿生结构对声波束的调控作用。

图2 利用等效媒质理论设计仿生器件的声速分布和对应的仿真结果展示

利用等效介质理论实现了仿生器件的声速分布，如图2（a-c）所示。仿真计算了该器件对声波束的调控作用，如图2（d-f）。图2（g-i）说明了波束有很好的指向性。接下来，研究人员开展水下声学实验，验证了该器件的波束控制性能。

图3 仿生器件的实物图，实验结果，以及不同频率的指向性

根据仿生保角变换所设计的声速分布, 研究人员在水中嵌入周期性排列的铝阵列, 利用水声人工超构结构实现了上述仿生器件（图3（a-c））。在高频消声水箱的扫场实验中验证了该效果（图3（d-f）），表明了实验和仿真的一致性。此外，设计的该仿生器件有宽频带特性（图3（g-i））。

图4 利用仿生保角变换声学设计的声转向和声准直的应用

研究人员研究了该仿生器件在声转向（图4（a, b））和声准直（图4（c, d））的应用。发现该设计可以实现对水下不同方向的目标进行探测和不同大小的目标进行识别, 这为未来设计连续可调的水下仿生人工结构提供了变换声学理论的新思路。此项工作得到了国家重点研发计划(2018YFC1407504)、国家自然科学基金(11874311、41676023、41276040、41422604)、福建省校企合作项目(2018Y4012)、中央高校基础研究经费(20720170015)的支持。