近日，我院張宇教授課題組在重建江豚聲學系統的人工結構研究上取得新進展。最新成果“Physical modeling and validation of porpoises’ directional emission via hybrid metamaterials”在國際著名Top類學術期刊《National Science Review》雜志（我國第一份英文版自然科學綜述性學術期刊，影響因子13.222)發表，論文第一署名單位為廈門大學海洋與地球學院水聲通信與海洋信息技術教育部重點實驗室。 

江豚經過數百萬年的時間，進化出強大的生物聲吶，能夠利用回聲定位系統在水下復雜環境實現高準確率、高智能的獵物探測和跟蹤。江豚聲源尺寸約為其發射聲波波長的一半，根據經典聲學理論，要調控指向性聲波實現定向目標探測是很困難的（Phys. Rev. Appl. 8, 064002 [2017]），具有卓越聲吶探測能力的江豚一直是個自然傳奇，如何重構其聲學超級結構對于聲學人工設計而言是個巨大的挑戰。

張宇教授和他的博士研究生董爾謙、美國麻省理工學院(MIT)方絢萊教授等近期在這方面取得突破性進展，提出用人工復合超材料來重構江豚聲學結構。該人工結構通過氣囊、頭骨和變聲速額隆等多相復雜介質來調控聲波束（其中涉及氣囊的聲散射與反射、頭骨-軟組織的聲固耦合與模式轉化、聲梯度組織材料的相位控制等），可以利用聲波作用，在目標上產生鏡像回波與彈性回波，從而實現了與江豚聲吶極其相似的指向性瞬態聲發射和目標探測功能。

此外，該聲學人工結構在抑制假目標干擾方面顯示出了良好的效果，有助于提高聲探測的信噪比，并區分靜態目標和動態干擾物。該研究表明聲學人工材料為重構江豚復雜的聲學系統提供重要技術手段，在水聲傳感、無損檢測和醫學超聲等領域有廣泛的應用前景。此項研究成果積極擴大了廈門大學在生物聲學與仿生研究的國內外影響力。

該工作獲得了國家重點研發項目（No.2018YFC1407504）、國家自然科學基金(No. 41676023, 41276040, 41422604)等的資助。

文章來源：Erqian Dong, Yu Zhang, Zhongchang Song, Tianye Zhang, Chen Cai, Nicholas X Fang, Physical modeling and validation of porpoises’ directional emission via hybrid metamaterials, National Science Review, nwz085

文章鏈接：https://doi.org/10.1093/nsr/nwz085

Figure 1. Design of PPM device.

Figure 2. PPM capable of propagating directional waves.

Figure 3. Experimental validation of the directional PPM system.

Figure 4. Directional target detection application of the PPM device.