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生物物理学

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Porpoise的额头类似于声学的超材料

21 Nov 2017
无翅流行的照片
声明:无翅膀的海豚

Porpoise的额头类似于“超材料”,以创造海洋哺乳动物使用的定向声梁来检测和跟踪美国和中国的索赔研究人员。声学专家和生物学家还发现,动物可以调节其前额的声学特性以控制光束的宽度。他们认为,Porpoise额头的结构可以激发新材料的开发来控制声音,水下声纳和超声成像的应用。

Porpoises是齿鲸,用方向声波作为声纳系统捕猎。当首次搜索猎物时,他们使用窄光束来扫描水。但随着它们靠近一个目标,它们显着增加了光束的宽度,以保持其在其视野中。

科学家们努力了解Porpoises如何产生和控制这种定向呼应梁。 porpoises产生声音,或‘clicks’,通过迫使空气通过它们的气孔中的结构称为Phonic嘴唇。但是,这种声源小于它产生的声音的波长,理论上应该使声光难以控制。并且Phonic嘴唇在所有方向发出声音,而不仅仅是向前。

声速

调查这些问题, 文武曹在宾夕法尼亚州立大学,同事们采取了计算机的断层扫描(CT)扫描,无翅膀的Porpoise(Neophocaena phocaenoides.)使用超声波测量其头部不同组织的声速。它们将此信息与Porpoise Clicks的现场录制组合并构建了一个数学模型以模拟声纳发射和光束控制。

他们发现头部和海豚中的空气囊’S头骨和甜瓜 - 额头上的组织凸起 - 所有工作都在一起引导声音。当它们在其孔额头的模型中包括全向声源时,形成具有13°的角度宽度的尖锐的声音。 “额头结构形成了专门设计的用于产生的波信号的通道,并迫使光束前进,”Cao告诉 物理世界。

气囊具有最低的声速,头骨最高,但它们都作为声音反射器的指导向前推导。瓜包括封装在高速结缔组织中的低速芯。这些不同的声学属性实现了聚焦效果。

声镜头

进一步的建模表明,通过压缩前额的软组织来改变甜瓜和气囊的形状,将光束的宽度增加到近20°。实际上,甜瓜充当声透镜,可以由Porpoise的面部肌肉调节。并观察到豚鼠。

A 以前的港口豚鼠研究 发现,当它们接近猎物时,它们的回声束的宽度从9°变为15°。进一步的视频和磁共振成像显示,在此期间的漏斗中’S甜瓜迅速改变形状,由面部肌肉网络控制。

通过压缩额头,可以加宽光束,使鱼总是在声纳屏幕上,“
文武曹,宾夕法尼亚州立大学

初始窄梁允许Porpoises定位遥远的鱼类,但由于视野狭窄,鱼可能在关闭时脱开视线,Cao解释说。 “通过压缩额头,可以加宽光束,使鱼总是在声纳屏幕上。”

曹说,虽然尚未观察到,但推测其他鲸类 - 鲸鱼,海豚和豚鼠 - “可以使用相同的原理来控制其声学束,因为它们的生物体系系统类似”。

超声专家 Bruce Drinkwater. 在布里斯托尔大学,告诉 物理世界:“他们说服令人信服地表明瓜的声学特性导致声音集中在定向束中。看到进化已经提出了一个非常复杂,与任何人都不同的解决方案是令人着迷的“invented” - 甜瓜的精确形状很重要,因为声速的分布也是如此。“

“通过变形工程甜瓜的声音系统的声明系统的想法是一个很好的,”加饮水。目前,他解释说,使用复杂且昂贵的可编程阵列实现了水下声音的光束控制。一种使用单一声音源和“甜瓜”的多孔状溶液可能更便宜。 “改变甜瓜的形状,移动或聚焦光束。”

研究将描述 物理评论适用摘要可用.

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