海豚生物聲吶超聲波束形成物理機理研究.pdf

1、作為群居的海洋哺乳動物，齒鯨類擁有著與眾不同且功能強大的生物聲吶系統(tǒng)。其生物聲吶系統(tǒng)經(jīng)過自然界的長期演化和優(yōu)勝劣汰，性能已高度優(yōu)化。海豚的回聲定位聲波能夠在百米內(nèi)探測到厘米級大小的物體，并對毫米級厚度的金屬目標做出辨別，此外還能在探測移動目標的時候?qū)ζ洳ㄊ匦赃M行調(diào)整，其性能遠遠優(yōu)于目前世界上任何的人工聲吶。其生物聲吶系統(tǒng)卓越的性能引起了世界上聲學研究者強烈的興趣，不但使得齒鯨類生物聲吶研究成為近年來生物聲學界以及國際海洋聲學界的焦點，

2、還成為新型海洋技術(shù)開發(fā)值得關(guān)注的高新科技領(lǐng)域，對海洋珍稀哺乳動物種類的保護和發(fā)展仿生聲納技術(shù)具有極其重要意義。但由于生物聲納的研究屬于聲學、生物學、仿生學等交叉領(lǐng)域，加之生物聲學機制的復雜性以及對活體生物實驗研究的不確定性，使得此項研究成為一個極具挑戰(zhàn)性的難題。隨著近年來計算機科學以及生物醫(yī)學影像技術(shù)的飛速發(fā)展，基于物理聲學以及應用數(shù)學的理論數(shù)值模型模擬已經(jīng)成為一種有效的工程分析方法被廣泛地運用在生物聲學的研究中，通過數(shù)值模擬的研究不但

3、能夠直觀地揭示生物發(fā)聲的復雜物理機理和過程，還能解決一些目前實測實驗無法回答的難題，并對實測實驗的展開提供理論上的指導。
　　根據(jù)定位信號特征，一般在鯨豚聲學研究中把齒鯨類分為兩大類型:寬帶定位信號型豚類和窄帶定位信號型豚類。其中寬帶定位信號型豚類的回聲定位信號為簡短的高頻寬帶脈沖，信號一般有4-8個周期，持續(xù)時間為40-70μs，而窄帶定位信號型豚類的回聲定位信號為高頻窄帶脈沖，信號的周期數(shù)一般不小于12個，持續(xù)時間一般都長于1

4、00μs。考慮到結(jié)論的適用性，本文的研究將以寬帶定位信號型豚類中的寬吻海豚和白鱀豚，以及窄帶定位信號型豚類中的鼠海豚和長江江豚為研究對象。首先對死亡動物的新鮮樣本進行高精度的CT斷層掃描，再對動物的頭部組織進行物理特性測量，以此為基礎(chǔ)重建動物頭部的二維和三維模型，并利用有限元數(shù)值模擬的方法對信號在海豚頭部產(chǎn)生、頭部內(nèi)部傳播以及傳送到頭部外部形成高指向性聲波的物理過程進行模擬和研究。
　　論文主要包括以下幾個方面的內(nèi)容:
　　

5、1.闡述介紹海豚聲學研究的相關(guān)背景以及數(shù)值模擬在鯨豚聲學中的應用。
　　2.通過對海豚頭部樣本的計算機斷層掃描以及組織物理聲學特性測量，對海豚的頭部進行三維聲學特性重建。
　　3.利用有限元方法搭建海豚頭部發(fā)聲的數(shù)值模型并模擬海豚頭部內(nèi)部聲波產(chǎn)生、傳播到傳送到頭部外部形成高指向性波束的物理過程。
　　4.揭示聲波如何在海豚頭部內(nèi)部產(chǎn)生散射、折射和反射，以及形成頭部內(nèi)部的聲通道并在頭部外部形成具有特殊指向性的生物聲吶超聲

6、波束的物理機理。
　　5.通過數(shù)值模擬和相關(guān)實測結(jié)果的比較，以海豚發(fā)聲的物理機理為基礎(chǔ)，探討海豚聲源處原始信號的波形。
　　6.通過建立不同的模型并進行比較，以此來揭示海豚頭部復雜的生物組織結(jié)構(gòu)在聲波傳播和波束形成的物理過程中如何相互調(diào)控，并對國際鯨豚聲學領(lǐng)域關(guān)于海豚的額隆組織是否是頭部波束聚焦的根本原因及額隆的具體功能這一具有爭議的焦點問題提供直觀的理論證據(jù)。
　　本文的創(chuàng)新之處在于:
　　第一，本研究首次發(fā)現(xiàn)

7、了未成年長江江豚頭部的額隆組織不存在諸如其他成年鯨豚類的額隆組織具有聲學參數(shù)從內(nèi)到外呈遞增不均勻分布的現(xiàn)象。
　　第二，本文首次運用動物離體實驗、實測信號分析和數(shù)值模型相結(jié)合的方法，通過動物離體實驗測得海豚的組織的物理特性參數(shù)，并以此為基礎(chǔ)對海豚進行三維聲學特性重建。再結(jié)合大量實測數(shù)據(jù)的分析比較，利用數(shù)值模擬的方法來對海豚生物聲吶超聲波束形成的物理過程進行研究。
　　第三，本文首次根據(jù)海豚定位信號特性以及頭部結(jié)構(gòu)的不同把海豚

8、分為兩種類型豚類（寬帶定位信號型豚類和窄帶定位信號型豚類），并分析和比較了兩種豚類不同喙部結(jié)構(gòu)對其生物聲吶超聲波束形成的物理機理的影響。
　　第四，本文首次基于海豚聲源處振蕩發(fā)聲的物理機理，以大量相關(guān)的實測信號為參照，通過對聲源信號的調(diào)試和反復計算對不同類型海豚聲源處的原始信號進行還原。
　　第五，本文首次揭示了海豚頭部復雜的生物組織結(jié)構(gòu)在其生物聲吶超聲波束形成過程中所起到的具體作用，并比較了各個組織的相對作用。結(jié)果顯示，在