仿生设计可减少拖曳声纳阵列的阻力和噪音产生

潜艇和舰船依靠拖曳声纳阵列（TSA）进行水下勘探和安全操作，但是在水中拖曳这些传感器，特别是在高巡航速度下，会产生过多的噪声，从而掩盖目标信号并损害声纳的探测能力。现在，伯克利的一个工程师团队正试图从大自然中汲取一点灵感来解决这个问题。

在最近发表在《极限力学快报》（Extreme Mechanics Letters）上的一项研究中，来自伯克利的研究人员与麻省理工学院林肯实验室（MIT Lincoln Laboratory）合作，展示了设计用于模仿鲨鱼皮肤的纹理表面如何减少阻力并减轻基于流动的噪音，从而可能为新一代更有效和高效的TSA打开大门。

“过去的研究表明，鲨鱼皮肤上的独特图案，称为肋骨，可以减少阻力，”机械工程助理教授兼这项研究的首席研究员Grace Gu说。“我们假设，这种仿生地形同样可以减少水下环境中的噪声产生，并着手使这些自然发生的设计适应声纳阵列的表面。

据研究人员称，使用肋骨抑制噪音的想法受到另一种自然纹理锯齿的启发，锯齿状物可以帮助猫头鹰实现无声飞行，并用于表面以减轻航空系统中的噪音。

为了验证他们的理论，研究人员使用计算建模来模拟具有不同形状和图案的肋骨表面，然后在阵列上模拟这些工程肋骨表面周围的水运动。这种虚拟测试环境使他们能够评估不同的肋骨设计如何影响流体行为和声纳阵列在各种流动条件下的声学特性——从平滑、可预测的层流到自然海洋环境中遇到的更常见、混乱的湍流。

在测试的众多肋骨设计中，包括光滑、三角形、梯形和扇形，矩形肋骨设计被证明是性能最高的原型。它在减少水流产生的噪音和减少流体动力阻力方面最有效。

在对湍流进行模拟时，这些改进的幅度变得尤为明显。在这些条件下，与光滑的阵列表面相比，矩形肋骨的噪声降低了14.3%，流体动力阻力降低了5.1%。此外，他们的参数研究表明，具有更精细、更紧密间距几何形状的肋骨可以进一步减少 25.7% 的阻力。

设计概念和流体域设置的图示：（a） 执行任务期间的TSA示意图。（b） 仿生肋骨拓扑结构。（c） 代表设想操作条件的流体域设置。（d） 基于区域的多面体网格设置。（图片由顾研究组提供）

“这些发现强调了肋骨几何形状在不同流动条件下的功效，突出了它们在优化海事系统声学和流体动力学性能方面的潜力，”顾说。“这些微结构的稳健、双重功能潜力可能会改变未来TSA设计的游戏规则。

除了促进我们对肋骨如何影响声学的理解外，该研究还揭示了驱动噪声抑制的潜在流体动力学机制。

“我们的研究揭示了在湍流中发生的一个关键过程，其中设计复杂的声纳阵列肋骨增强表面在我们所描述的’涡旋提升’中起着关键作用。该过程涉及重新定向相干涡流结构的核心，有效地将它们抬离阵列表面，同时降低它们的旋转强度，“机械工程系研究生、该研究的第一作者Zixiao Wei说。“这种高度是减少水流和阵列壁相互作用产生的强烈压力波动的关键，从而导致噪声的产生。”

顾说，这项仿生研究可能会在水下航行器和仪器的功能方面取得重大进展，对许多应用产生广泛的影响。这些水下设备更安静的运行也通过减少对海洋生物的影响为环境提供了显着的好处。

也许最重要的是，这项研究展示了生物效率如何转化为有意义的技术改进。通过继续采用仿生设计方法，研究人员有朝一日可能会发现其他工程问题的实用解决方案。

“肋骨图案类似于自然界中发现的图案，为我们提供了一种方法，不仅可以复制这些人造系统的自然解决方案，还可以优化这些自然解决方案，”Wei说。“这项工作展示了仿生学在推进工程和技术方面的巨大潜力。

这项研究的合著者包括来自伯克利机械工程系的研究生Zilan Zhang和Dahyun Daniel Lim，以及来自麻省理工学院林肯实验室的Justin Rey和Matthew Jones。该研究得到了麻省理工学院林肯实验室，CITRIS和Banatao研究所，国家科学基金会和Prytanean Society的支持。