齿鲸声呐系统多频段声波定向调控功能的仿生设计与力学分析

目的声波作为水下唯一有效的信息载体,其指向性对水下通信探测有着十分重要的作用。齿鲸通过肌肉收缩调整声呐系统组分及构型对多频段信号进行定向调控以满足不同需求,如捕食定位(40~200 k Hz)、种群通讯(5~15 k Hz)与环境探索(0.25~1 k Hz)。然而,齿鲸声呐系统复杂的几何构型与生物组织分布难以人为制备。方法基于此,基于水声超材料来重现齿鲸类声呐系统的多频段声波定向调控功能。本研究通过在细长梁单侧排列接触块设计了一种具有“接触-失稳”双向变刚度的单胞,当单胞向接触块一侧偏转呈现为接触高刚度,向另一侧偏转则呈现为失稳低刚度,刚度差异使单胞在两种形态下的声学相位差为π。单胞的周围采用水凝胶作为基体,保证了单胞的柔性大变形与阻抗匹配。结果和结论通过设计加载模式实现对超材料刚度分布的主动控制,模拟齿鲸主动控制声呐系统的过程,实现对10、30、100 k Hz球面波不同距离的声聚焦。本研究不仅加深了对齿鲸类声呐系统机制的理解,同时采用外力主动调节单胞的声学属性,为多功能仿生柔性水声超材料提供了一种设计思路。