我室张宇教授课题组研究成果发表于Appl. Phys. Lett.
2017-03-08 14:25:47   来源:    点击:

   近日,我实验室张宇教授课题组所承担的由国家自然科学基金委员会资助的仿生学研究项目取得重要进展,最新研究成果“Acoustic beam control in biomimetic projector via velocity gradient”在国际著名Top类学术期刊《应用物理快报》(Appl. Phys. Lett.)发表,论文第一单位为水声通信与海洋信息技术教育部重点实验室。    
张宇教授是厦门大学海洋与地球学院的特聘教授,其课题组致力于鲸豚声纳物理机理和仿生应用研究,2014年发表于Appl. Phys. Lett. 105, 123502 (2014)上的论文,引起了国内外同行的广泛关注,目前在Appl. Phys. Lett.上发表的论文是该课题组又一标志性的研究成果。
    指向性声源通过增强某一方向上的声强可以提高水下传感和通讯的分辨率以及信噪比。然而,由于衍射极限,当声波的波长比声源的尺寸大的时候,想获得指向性就变得异常困难。鲸豚类发声研究的持续深入和近年来物理超材料的飞速发展,给我们设计出低频高指向性的发射器提供了一个新的思路。张宇教授和他的博士研究生高晓薇以及来自美国宾夕法尼亚大学的曹文武教授基于高效的海豚生物声纳系统设计出的仿生发射器在亚波长尺度上实现了卓越的指向性。仿生发射器的继续优化和广泛应用需要更加详尽的关于其波束调控机制的研究。最新的鲸豚类发声研究表明,其极有可能是通过额隆的形变从而改变其声学路径来实现波束调控的。课题组应用CT影像对小抹香鲸头部进行了声学重建,基于此设计的仿生发射器用人工超构材料来模拟其声速、密度渐变的额隆组织,从而通过改变仿生发射器中超构材料的梯度常数来实现其声路径的改变。研究表明仿生发射器的三分贝角和主瓣压力都会随着速度梯度的变化而变化,这就给我们提供了一个实现波束调控的有效方法。通过调整速度梯度常数可以实现仿生发射器的最优化;而超构材料的密度梯度对仿生发射器波束调控的影响相对较小,不会影响其波束的指向性特性,只会小幅度影响其主瓣压力。这些研究成果为仿生发射器在相关领域的应用和优化设计打下了良好的理论基础,并具有重大意义。同时,这种物理超构材料和仿生学的相互结合也为这些领域提供了新的研究方法。
 
Abstract: A biomimetic projector (BioP) based on computerized tomography of pygmy sperm whale's biosonar system has been designed using gradient-index (GRIN) material. The directivity of this BioP device was investigated as function of frequency and the velocity gradient of the GRIN material. A strong beam control over a broad bandwidth at the subwavelength scale has been achieved. Compared with a bare subwavelength source, the main lobe pressure of the BioP is about five times as high and the angular resolution is one order of magnitude better. Our results indicate that this BioP has excellent application potential in miniaturized underwater sonars.
 
CitationGao X, Zhang Y, Cao W, et al. Acoustic beam control in biomimetic projector via velocity gradient[J]. Applied Physics Letters, 2016, 109(1):013505.
 
Link to full texthttp://aip.scitation.org/doi/full/10.1063/1.4955179

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