馬來(lái)假吸血蝠和大足鼠耳蝠超聲波束形成結(jié)構(gòu)的數(shù)值研究.pdf

1、蝙蝠經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的進(jìn)化形成一套成熟的、靈敏的生物聲吶系統(tǒng)，所有小蝙蝠亞目的蝙蝠都可以利用這套聲吶系統(tǒng)進(jìn)行定位、捕食或環(huán)境探測(cè)。蝙蝠由喉部的聲帶振動(dòng)產(chǎn)生超聲波，通過(guò)口腔或鼻腔向外傳播，聲波遇到障礙物后反射回來(lái)并被蝙蝠的耳朵接收。目前一些實(shí)驗(yàn)和數(shù)值方面的研究表明，在超聲波向外傳播的過(guò)程中，蝙蝠頭部的聲吶器官（例如鼻葉等）可以影響蝙蝠的發(fā)射聲場(chǎng)。本文應(yīng)用數(shù)值計(jì)算方法，首次研究了馬來(lái)假吸血蝠鼻葉的兩個(gè)組成部分（頂葉和前葉）對(duì)其發(fā)射聲場(chǎng)的影響，同時(shí)

2、還研究了大足鼠耳蝠嘴巴張開(kāi)的角度對(duì)其發(fā)射聲場(chǎng)的影響。
　　本文的研究方法和內(nèi)容包含以下三方面:
　　(1)捕獲蝙蝠樣本并構(gòu)建三維數(shù)字結(jié)構(gòu)。在野外采集蝙蝠樣本后，利用高分辨率的微型X射線CT掃描儀分別對(duì)馬來(lái)假吸血蝠鼻葉和大足鼠耳蝠的頭部進(jìn)行X射線掃描，得到這兩種結(jié)構(gòu)的X射線投影投影圖。利用計(jì)算機(jī)三維錐形光束重建算法得到包含多灰度等級(jí)的斷層圖像，將馬來(lái)假吸血蝠鼻葉和大足鼠耳蝠頭部的斷層圖像再通過(guò)高斯濾波和二值化處理等步驟，得到二

3、值化圖像，最終將這兩種結(jié)構(gòu)的二值化圖像疊加就得到了用立方體體素組成的馬來(lái)假吸血蝠鼻葉三維數(shù)字結(jié)構(gòu)和大足鼠耳蝠頭部的三維數(shù)字結(jié)構(gòu)。通過(guò)計(jì)算機(jī)圖像處理和三維可視化技術(shù)分別剔除馬來(lái)假吸血蝠鼻葉的兩個(gè)組成部分（頊葉和前葉），得到三種鼻葉結(jié)構(gòu)，即完整的鼻葉結(jié)構(gòu)、無(wú)頂葉的鼻葉結(jié)構(gòu)、無(wú)前葉的鼻葉結(jié)構(gòu);對(duì)于大足鼠耳蝠的頭部，則通過(guò)旋轉(zhuǎn)下頜部位，得到嘴巴具有不同張開(kāi)角度的頭部數(shù)字結(jié)構(gòu)。
　　(2)聲場(chǎng)的計(jì)算?；跇?gòu)建的三維數(shù)字結(jié)構(gòu)，在適當(dāng)?shù)奈恢锰砑?/p>

4、激勵(lì)源并進(jìn)行數(shù)值仿真計(jì)算，計(jì)算區(qū)域分為近場(chǎng)和遠(yuǎn)場(chǎng)。近場(chǎng)采用時(shí)域有限差分法，將計(jì)算區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格化處理，網(wǎng)格元胞的邊長(zhǎng)就等于三維數(shù)字結(jié)構(gòu)的立方體體素邊長(zhǎng)，設(shè)置完全匹配層來(lái)模擬開(kāi)域聲場(chǎng)，得到近場(chǎng)聲場(chǎng)的聲壓幅值;基于近場(chǎng)數(shù)值結(jié)果利用基爾霍夫積分公式得到遠(yuǎn)場(chǎng)聲場(chǎng)計(jì)算結(jié)果。聲場(chǎng)近場(chǎng)的數(shù)值解通過(guò)三個(gè)可移動(dòng)的且互相垂直的平面表示，不同的顏色表示不同的聲場(chǎng)幅值;聲場(chǎng)遠(yuǎn)場(chǎng)則采用輻射波瓣圖表示，波瓣圖不能表示具體的遠(yuǎn)場(chǎng)幅值，所以應(yīng)該重點(diǎn)關(guān)注波瓣圖的外形。

5、r>　　(3)數(shù)值計(jì)算結(jié)果的分析。計(jì)算結(jié)果的定量分析則需要通過(guò)輻射波瓣圖的方向性相關(guān)系數(shù)或波瓣圖方向性指數(shù)等方法進(jìn)行分析。最后，計(jì)算結(jié)果的討論則需要借助現(xiàn)有的物理理論，由復(fù)雜的關(guān)系發(fā)現(xiàn)簡(jiǎn)單的對(duì)應(yīng)關(guān)系。
　　通過(guò)分析計(jì)算結(jié)果主要得到以下結(jié)論:
　　(1)馬來(lái)假吸血蝠鼻葉的兩個(gè)組成部分（頂葉和前葉）對(duì)其發(fā)射聲場(chǎng)具有顯著影響。這兩個(gè)組成部分在輻射波束形成的過(guò)程中起著不同的作用，并且分別在不同的頻域內(nèi)對(duì)輻射聲場(chǎng)產(chǎn)生影響:低頻范圍內(nèi)，