海豚聲吶的秘密揭示

動物可以調整其前額的結構,以改變它們發出的回聲定位訊號

長江江豚。

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最好的軍用聲吶技術與海豚用來追蹤獵物、捕食者和障礙物的回聲定位技術相比也相形見絀。這些海洋哺乳動物可以透過從噴水孔發出咔噠聲,從 100 米外找到幾釐米寬的物體,這相當於從一個足球場的一端發現一顆核桃。相比之下,配備聲吶的艦船必須從分佈在至少幾米範圍內的多個聲源發出聲波。最近的一項研究表明,海豚超高效的回聲定位技術得益於它們頭部可調節的結構——這一發現可能有助於人類改進我們自己的聲吶技術。

聲吶的工作原理是將聲波從物體上反射回來並檢測訊號的返回時間。通常,如果聲吶脈衝的聲源小於聲音的波長,它會向四面八方釋放聲音訊號,就像光線從迪斯科球散射一樣。要朝特定方向傳送定向波束,聲源必須遠大於波長。但海豚設法避開了這一要求。

為了找出原因,科學家們使用 CT 掃描研究了江豚(Neophocaena phocaenoides)的頭部。他們瞭解到,這些生物的前額包含複雜的結構,包括氣囊、軟組織和顱骨。這些組成部分構成了讓聲音以不同速度透過的層,使動物能夠控制其波束的焦點。“如果我們能夠理解這些結構,那麼我們就可以重新設計我們的聲吶系統並將它們放入[更小的]船隻中,”賓夕法尼亞州立大學的物理學家、去年 12 月發表在《物理評論應用》雜誌上的這項研究的合著者曹文武說。


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這項工作表明,海豚與另一種以回聲定位聞名的哺乳動物——蝙蝠——分享了一些技巧。“我很好奇海豚是否可以透過壓縮前額複合體來改變它們的發射模式,”弗吉尼亞理工大學的機械工程教授羅爾夫·穆勒說,他研究過蝙蝠聲吶,但沒有參與海豚的研究。與人類技術相比,似乎蝙蝠和海豚真的領先了好幾步。

克拉拉·莫斯科維茨《大眾科學》的高階編輯,她在那裡報道天文學、太空、物理學和數學。她在《大眾科學》工作了十年;此前她曾在 Space.com 工作。莫斯科維茨曾對火箭發射、太空梭升空和著陸、亞軌道太空飛行訓練、山頂天文臺等進行過現場報道。她擁有衛斯理大學的天文學和物理學學士學位,以及加州大學聖克魯斯分校的科學傳播研究生學位。

更多作者:克拉拉·莫斯科維茨
大眾科學 Magazine Vol 318 Issue 2本文最初以“海豚驅動的生活”為標題發表在《大眾科學》雜誌第 318 卷第 2 期(),第 15 頁
doi:10.1038/scientificamerican0218-15b
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