海豚声呐的秘密揭示

动物可以调整其前额的结构,以改变它们发出的回声定位信号

长江江豚。

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最好的军用声呐技术与海豚用来追踪猎物、捕食者和障碍物的回声定位技术相比也相形见绌。这些海洋哺乳动物可以通过从喷水孔发出咔哒声,从 100 米外找到几厘米宽的物体,这相当于从一个足球场的一端发现一颗核桃。相比之下,配备声呐的舰船必须从分布在至少几米范围内的多个声源发出声波。最近的一项研究表明,海豚超高效的回声定位技术得益于它们头部可调节的结构——这一发现可能有助于人类改进我们自己的声呐技术。

声呐的工作原理是将声波从物体上反射回来并检测信号的返回时间。通常,如果声呐脉冲的声源小于声音的波长,它会向四面八方释放声音信号,就像光线从迪斯科球散射一样。要朝特定方向发送定向波束,声源必须远大于波长。但海豚设法避开了这一要求。

为了找出原因,科学家们使用 CT 扫描研究了江豚(Neophocaena phocaenoides)的头部。他们了解到,这些生物的前额包含复杂的结构,包括气囊、软组织和颅骨。这些组成部分构成了让声音以不同速度通过的层,使动物能够控制其波束的焦点。“如果我们能够理解这些结构,那么我们就可以重新设计我们的声呐系统并将它们放入[更小的]船只中,”宾夕法尼亚州立大学的物理学家、去年 12 月发表在《物理评论应用》杂志上的这项研究的合著者曹文武说。


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这项工作表明,海豚与另一种以回声定位闻名的哺乳动物——蝙蝠——分享了一些技巧。“我很好奇海豚是否可以通过压缩前额复合体来改变它们的发射模式,”弗吉尼亚理工大学的机械工程教授罗尔夫·穆勒说,他研究过蝙蝠声呐,但没有参与海豚的研究。与人类技术相比,似乎蝙蝠和海豚真的领先了好几步。

克拉拉·莫斯科维茨《大众科学》的高级编辑,她在那里报道天文学、太空、物理学和数学。她在《大众科学》工作了十年;此前她曾在 Space.com 工作。莫斯科维茨曾对火箭发射、航天飞机升空和着陆、亚轨道太空飞行训练、山顶天文台等进行过现场报道。她拥有卫斯理大学的天文学和物理学学士学位,以及加州大学圣克鲁斯分校的科学传播研究生学位。

更多作者:克拉拉·莫斯科维茨
大众科学 Magazine Vol 318 Issue 2本文最初以“海豚驱动的生活”为标题发表在《大众科学》杂志第 318 卷第 2 期(),第 15 页
doi:10.1038/scientificamerican0218-15b
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