La frente de la marsopa actúa como un meta material acústico
21 de noviembre de 2017
Fotografía de una marsopa sin aleta
La frente de una marsopa actúa como un "metamaterial" para crear el haz de sonido direccional utilizado por los mamíferos marinos para detectar y rastrear presas, afirman los investigadores de EE. UU. Y China. Los expertos en acústica y biólogos también descubrieron que los animales pueden ajustar las propiedades acústicas de sus frentes para controlar el ancho del haz. Creen que la estructura de la frente de marsopa podría inspirar el desarrollo de nuevos materiales para controlar el sonido, con aplicaciones en sonar submarino e imágenes ultrasónicas.
Las marsopas son ballenas dentadas que usan ondas acústicas direccionales como sistema de sonar para cazar. Al buscar presas por primera vez, utilizan un estrecho haz de sonido para explorar el agua. Pero a medida que se acercan a un objetivo aumentan drásticamente el ancho del haz, para mantenerlo en su campo de visión.
Los científicos han luchado por comprender cómo las marsopas producen y controlan este haz direccional de ecolocalización. Las marsopas producen los sonidos, o 'clics', al forzar el aire a través de una estructura en su orificio llamado labios fónicos. Pero esta fuente de sonido es más pequeña que la longitud de onda del sonido que produce, lo que, en teoría, debería dificultar el control del haz acústico. Y los labios fónicos emiten sonido en todas las direcciones, no solo hacia delante.
Velocidad del sonido
Para investigar estos temas, Wenwu Cao , de la Universidad Estatal de Pensilvania, y sus colegas tomaron tomografías computarizadas (TC) de una marsopa sin vida ( Neophocaena phocaenoides ) y usaron ultrasonido para medir la velocidad del sonido de los diferentes tejidos en su cabeza. Combinaron esta información con grabaciones de campo de clics de marsopas y construyeron un modelo matemático para simular la emisión del sonar y el control del rayo.
Encontraron que los sacos de aire en la cabeza y el cráneo y el melón de la marsopa, un bulto de tejido en la frente, todos trabajan juntos para dirigir el sonido. Cuando incluyeron una fuente de sonido omnidireccional en su modelo de frente de marsopa, se formó un haz agudo de sonido con un ancho angular de 13 °. "La estructura de la frente forma un pasaje especialmente diseñado para la señal de onda producida y obliga al rayo a avanzar", dijo Cao a Physics World.
Los sacos de aire tienen la velocidad de sonido más baja y el cráneo tiene la más alta, pero ambos funcionan como reflectores de sonido que guían el sonido hacia adelante. El melón comprende un núcleo de baja velocidad encerrado en tejidos conectivos de alta velocidad. Estas diferentes propiedades acústicas logran el efecto de enfoque.
Lente acústica
El modelado adicional mostró que al cambiar la forma del melón y los sacos de aire, al comprimir los tejidos blandos de la frente, aumentaba el ancho del haz a casi 20 °. En efecto, el melón actúa como una lente acústica que puede ser ajustada por los músculos faciales de la marsopa. Y las marsopas se han observado haciendo exactamente eso.
Un estudio previo de marsopas portuarias encontró que a medida que se acercan a sus presas, el ancho de su haz de ecolocalización cambia de 9 ° a 15 °. El video adicional y la resonancia magnética mostraron que durante este período el melón de la marsopa cambia rápidamente de forma, controlado por una red de músculos faciales.
Al comprimir la frente, el rayo puede ensancharse, de modo que el pez siempre esté en la pantalla del sonar ".
Wenwu Cao, Universidad de Pensilvania
El estrecho haz inicial permite a las marsopas localizar peces distantes, pero debido a que el campo de visión es estrecho, los peces pueden desaparecer cuando se acercan, explica Cao. "Al comprimir la frente, el rayo puede ensancharse, de modo que el pez siempre esté en la pantalla del sonar".
Cao dice que, aunque no se ha observado, es razonable especular que otros cetáceos (ballenas, delfines y marsopas) "pueden usar el mismo principio para controlar su haz acústico ya que sus sistemas biosonar son similares".
El experto en ultrasonido Bruce Drinkwater de la Universidad de Bristol, dijo a Physics World : "Muestran convincentemente que las propiedades acústicas del melón hacen que el sonido se enfoque en un haz bien dirigido. Es fascinante ver que la evolución ha presentado una solución que es bastante compleja y diferente a todo lo que los humanos han "inventado": la forma precisa del melón es importante, como lo es la distribución de la velocidad del sonido ".
"La idea de un sistema de sonar que manipule el sonido mediante la deformación de un melón diseñado es bueno", agrega Drinkwater. Actualmente, el control del rayo para el sonido subacuático se logra usando complejas y costosas series de altavoces programables, explica. Una solución parecida a una marsopa que usó una sola fuente de sonido y un "melón" podría ser más barata. "Cambia la forma del melón y el rayo se mueve o se enfoca".
La investigación se describirá en Physical Review Applied y se encuentra disponible un resumen .
Sobre el Autor
Michael Allen es un escritor de ciencia basado en el Reino Unido
21 de noviembre de 2017
Fotografía de una marsopa sin aleta
La frente de una marsopa actúa como un "metamaterial" para crear el haz de sonido direccional utilizado por los mamíferos marinos para detectar y rastrear presas, afirman los investigadores de EE. UU. Y China. Los expertos en acústica y biólogos también descubrieron que los animales pueden ajustar las propiedades acústicas de sus frentes para controlar el ancho del haz. Creen que la estructura de la frente de marsopa podría inspirar el desarrollo de nuevos materiales para controlar el sonido, con aplicaciones en sonar submarino e imágenes ultrasónicas.
Las marsopas son ballenas dentadas que usan ondas acústicas direccionales como sistema de sonar para cazar. Al buscar presas por primera vez, utilizan un estrecho haz de sonido para explorar el agua. Pero a medida que se acercan a un objetivo aumentan drásticamente el ancho del haz, para mantenerlo en su campo de visión.
Los científicos han luchado por comprender cómo las marsopas producen y controlan este haz direccional de ecolocalización. Las marsopas producen los sonidos, o 'clics', al forzar el aire a través de una estructura en su orificio llamado labios fónicos. Pero esta fuente de sonido es más pequeña que la longitud de onda del sonido que produce, lo que, en teoría, debería dificultar el control del haz acústico. Y los labios fónicos emiten sonido en todas las direcciones, no solo hacia delante.
Velocidad del sonido
Para investigar estos temas, Wenwu Cao , de la Universidad Estatal de Pensilvania, y sus colegas tomaron tomografías computarizadas (TC) de una marsopa sin vida ( Neophocaena phocaenoides ) y usaron ultrasonido para medir la velocidad del sonido de los diferentes tejidos en su cabeza. Combinaron esta información con grabaciones de campo de clics de marsopas y construyeron un modelo matemático para simular la emisión del sonar y el control del rayo.
Encontraron que los sacos de aire en la cabeza y el cráneo y el melón de la marsopa, un bulto de tejido en la frente, todos trabajan juntos para dirigir el sonido. Cuando incluyeron una fuente de sonido omnidireccional en su modelo de frente de marsopa, se formó un haz agudo de sonido con un ancho angular de 13 °. "La estructura de la frente forma un pasaje especialmente diseñado para la señal de onda producida y obliga al rayo a avanzar", dijo Cao a Physics World.
Los sacos de aire tienen la velocidad de sonido más baja y el cráneo tiene la más alta, pero ambos funcionan como reflectores de sonido que guían el sonido hacia adelante. El melón comprende un núcleo de baja velocidad encerrado en tejidos conectivos de alta velocidad. Estas diferentes propiedades acústicas logran el efecto de enfoque.
Lente acústica
El modelado adicional mostró que al cambiar la forma del melón y los sacos de aire, al comprimir los tejidos blandos de la frente, aumentaba el ancho del haz a casi 20 °. En efecto, el melón actúa como una lente acústica que puede ser ajustada por los músculos faciales de la marsopa. Y las marsopas se han observado haciendo exactamente eso.
Un estudio previo de marsopas portuarias encontró que a medida que se acercan a sus presas, el ancho de su haz de ecolocalización cambia de 9 ° a 15 °. El video adicional y la resonancia magnética mostraron que durante este período el melón de la marsopa cambia rápidamente de forma, controlado por una red de músculos faciales.
Al comprimir la frente, el rayo puede ensancharse, de modo que el pez siempre esté en la pantalla del sonar ".
Wenwu Cao, Universidad de Pensilvania
El estrecho haz inicial permite a las marsopas localizar peces distantes, pero debido a que el campo de visión es estrecho, los peces pueden desaparecer cuando se acercan, explica Cao. "Al comprimir la frente, el rayo puede ensancharse, de modo que el pez siempre esté en la pantalla del sonar".
Cao dice que, aunque no se ha observado, es razonable especular que otros cetáceos (ballenas, delfines y marsopas) "pueden usar el mismo principio para controlar su haz acústico ya que sus sistemas biosonar son similares".
El experto en ultrasonido Bruce Drinkwater de la Universidad de Bristol, dijo a Physics World : "Muestran convincentemente que las propiedades acústicas del melón hacen que el sonido se enfoque en un haz bien dirigido. Es fascinante ver que la evolución ha presentado una solución que es bastante compleja y diferente a todo lo que los humanos han "inventado": la forma precisa del melón es importante, como lo es la distribución de la velocidad del sonido ".
"La idea de un sistema de sonar que manipule el sonido mediante la deformación de un melón diseñado es bueno", agrega Drinkwater. Actualmente, el control del rayo para el sonido subacuático se logra usando complejas y costosas series de altavoces programables, explica. Una solución parecida a una marsopa que usó una sola fuente de sonido y un "melón" podría ser más barata. "Cambia la forma del melón y el rayo se mueve o se enfoca".
La investigación se describirá en Physical Review Applied y se encuentra disponible un resumen .
Sobre el Autor
Michael Allen es un escritor de ciencia basado en el Reino Unido