经过几亿年的进化和自然选择作用，鲸豚已经形成了高效的生物声纳系统，这种生物声纳系统在海豚的捕食，躲避灾害，以及种群通信中扮演重要角色。近年来，通过对鲸豚发声机理的研究来了解生物声呐系统已成为海洋生物声学研究热点，对于海洋珍稀动物的保护和发展仿生声纳技术极其重要。但由于研究的交叉性和鲸豚声学机制的复杂性，是一个极具挑战性的难题。
张宇教授课题组与美国夏威夷大学知名鲸豚声学家 Whitlow Au 教授通过重建白鱀豚复杂头部二维几何模型，并利用计算声学方法对白鱀豚发声的超声波束形成物理过程进行了声场模拟，发现了白鱀豚头部复杂的声学结构在超声波束形成过程中起到了至关重要的作用。由于气囊、头骨以及变声速额隆的联合调控作用，以及白鱀豚头部复杂的声学结构，声波在其头部内发生散射、折射和反射，最终形成了指向性尖锐的超声波束。该项研究工作对于揭示鲸豚生物声呐系统发声机制具有重要意义。成果已在声学国际顶级著名期刊 J Acoust Soc Am 发表。
图1 海豚定向波束的形成过程
生物声带脱水对发声行为的影响一直是嗓音科学领域的热门研究课题，因为声带的脱水程度是影响声带机能正常运作的关键因素。张宇教授课题组以离体狗喉作为实验样本，利用抗干扰的离体喉振动发声测评装置，通过高速摄影仪观测声带在不同脱水程度下，探讨声带表面不同的脱水程度对发声系统的影响变化。实验观测结果表明，随着脱水程度的增加，声带的振动幅度会显著下降，并且不同于已有的成果，振动频率未出现显著差异。这是由于在脱水实验过程中，发现随着脱水程度的增大，声门间隙逐渐增大使得部分气体泄漏，从而导致作用在声带上的应力ð减小。同时，声带的长度逐渐减小，根据弦振动基频率公式，振动频率的无差异性在理论上也是合理的。声门面积是从水平方向上定量分析不同脱水情况下的振动模式，而粘膜波是从垂直方向上，反映不同脱水情况下，声带在纵轴上的运动模式。三种脱水程度下的声带振动高速摄影图像如图1-1所示，显示了两个连续周期的振动模式。图1-2为三种不同脱水程度下，右上唇、右下唇、左上唇和左下唇对应的半周期粘膜波序列。
(a)
正常状态
(b)
轻度脱水状态
(c)
重度脱水状态
图2 三种脱水等级下，声带振动发声2个周期的高速摄影图
结果表明，在三种的不同脱水程度下，频率没有发生显著变化，这是由于在离体喉脱水实验过程中，初步发现声带长度（L）减小，声门间隙逐渐增大。根据弦振动公式
，声门间隙逐渐增大使得部分气体泄露，从而导致作用在声带上的应力ð减小，同时声带长度（L）也在减小，因而随着脱水程度的增加，振动频率并没有发生显著差异。由此可说明声带表面脱水对发声系统参数产生了复杂的非线性影响，这对声带表面脱水的生物发声机制研究提供了非常有价值的参考。该研究成果发表于SCI期刊
Journal of Voice.
此外, 受声波衍射限制，传统换能器指向性与声源尺寸、频率均存在基本依赖关系。为了获得高强度指向性声源，往往要增大声源尺寸或提高频率。然而，这为实际水声应用带来诸多弊端，如体积庞大，高功耗，高频声衰减等。一个完美的指向性声源能够将在很窄的角度辐射声能量，然而，对于一个波源尺寸小于波长的亚波长声源来说，因受衍射极限限制导致其指向性很差甚至为无指向性声源。如何获得低频高指向性声源，同时满足小尺寸、低功耗需求，成为水声领域极具挑战且意义重大的研究课题。
张宇教授课题组通过借鉴鲸豚生物声纳系统原理，提出基于海豚生物声纳的仿生换能器（BioP）设想，并利用该仿生模型成功对一个亚波长小尺寸声源实现波束控制，获得了高指向性波束,如图3。该指向性声束主瓣能量集中，旁瓣极小，其等效声源长度为自身尺度的数十倍，具备优越的探测分辨率。这一研究打破了传统水声换能器的频率—尺寸限制，为实现低频高指向性的声学器件提供创新思路，在电声设计、水声和超声医学方面有重要的应用前景。
图3 给予海豚生物声纳的仿生换能器理论和实验测量结果
该研究成果发表于应用物理领域顶级期刊Applied Physics Letters，105, 123502 (2014); doi: 10.1063/1.4896509。Phys.org 网(世界科技研究新闻资讯网，专业的科学研究新闻资讯网站，介绍国际科技界的最新动态)以题为“Dolphin-inspired sonar overcomes size-wavelength limitation”对上述结果进行专文报道。
(http://phys.org/news/2014-10-dolphin-inspired-sonar-size-wavelength-limitation.html)。此外，esciencenews 、Under Secretary of Defense for Acquisition（美国防部研究与工程助理部长）, Technology and Logistics 、www.technology.org 、www.15minutenews.com 等多家国外主流科技媒体几乎同时在科学版报道了这一成果。
