菊頭蝠聲道聲學(xué)特性的數(shù)值分析.pdf

1、人類要從自然界的生物中獲得創(chuàng)新的靈感，首先需要研究生物的生理結(jié)構(gòu)和功能原理與現(xiàn)有技術(shù)設(shè)備之間是否存在著共同的特性。蝙蝠是哺乳動(dòng)物中最為常見(jiàn)的一種生物，也是仿生科學(xué)普遍研究的一種生物，蝙蝠在其適應(yīng)自然界的進(jìn)化過(guò)程中，進(jìn)化出了一套高效的超聲回聲定位系統(tǒng)。近些年的研究結(jié)果表明，時(shí)變系統(tǒng)的物理機(jī)制時(shí)刻存在于菊頭蝠的超聲聲納系統(tǒng)中，特別是菊頭蝠的超聲產(chǎn)生，超聲發(fā)射和超聲接收階段的關(guān)鍵的物理機(jī)制中。
　　蝙蝠的超聲脈沖遵循一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的哺乳動(dòng)物機(jī)

2、制，這種機(jī)制是由雙膜和肺部所產(chǎn)生的高壓氣流之間的流體結(jié)構(gòu)相互作用組成。迄今為止，相對(duì)于人造超聲發(fā)生器，蝙蝠具有其獨(dú)特和無(wú)與倫比的聲學(xué)特征:蝙蝠的體積小，可發(fā)出高強(qiáng)度，可重復(fù)性和高可靠性的超聲波，故其超聲產(chǎn)生能力更為突出。所有這些過(guò)程都是隨時(shí)間變化的物理過(guò)程，從聲納信號(hào)的時(shí)間頻率模式上看是顯而易見(jiàn)的。現(xiàn)在已普遍獲得認(rèn)可的是，聲納脈沖中的頻率調(diào)制是聲帶張力變化的結(jié)果。此外，已經(jīng)被證明蝙蝠利用快速肌肉這一特殊類型，以便能夠在持續(xù)的聲納脈沖中變

3、化聲帶的張力，例如在毫秒級(jí)別的刻度上。因此，蝙蝠的超聲是由時(shí)變物理過(guò)程和時(shí)變的波包通過(guò)蝙蝠聲納通信信道的剩余部分產(chǎn)生的，他們可能引發(fā)更多的時(shí)變影響。因此，聲音的產(chǎn)生機(jī)理可以看做是一個(gè)級(jí)聯(lián)的時(shí)變機(jī)制，其中一方面是由前方的時(shí)變行為觸發(fā)，另一方面為具有獨(dú)立聲源的時(shí)變行為，具有獨(dú)立聲源的時(shí)變行為可能與前方傳遞過(guò)來(lái)的時(shí)變效應(yīng)相互作用。
　　蝙蝠的聲納系統(tǒng)包括蝙蝠超聲的產(chǎn)生，發(fā)射和接收等過(guò)程。因?yàn)闀r(shí)變行為的重點(diǎn)是蝙蝠超聲的產(chǎn)生，為了更好地理解

4、蝙蝠超聲產(chǎn)生物理原理，我們創(chuàng)建蝙蝠喉部和聲道數(shù)字幾何模型（通過(guò)微型CT掃描），來(lái)研究蝙蝠超聲產(chǎn)生的過(guò)程。蝙蝠利用喉部的聲帶開(kāi)閉進(jìn)行發(fā)聲，由聲帶產(chǎn)生的超聲波通過(guò)具有濾波功能的聲道進(jìn)行傳播，聲道具有復(fù)雜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，其內(nèi)部各個(gè)腔體對(duì)超聲的傳輸均有著作用。
　　不同于傳統(tǒng)的生物學(xué)上對(duì)蝙蝠聲納系統(tǒng)的研究方法，本文中我們用數(shù)值模擬計(jì)算的方法對(duì)蝙蝠的聲道進(jìn)行了聲學(xué)方面的研究，數(shù)值模擬分析方法，是計(jì)算機(jī)技術(shù)與數(shù)學(xué)建模相結(jié)合的新的科學(xué)研究方法，越來(lái)

5、越普遍的用于科學(xué)仿真和工程設(shè)計(jì)。運(yùn)用數(shù)值計(jì)算方法研究仿生的問(wèn)題，最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)是對(duì)研究的模型進(jìn)行建模，首先，我們利用X射線微型CT掃描儀對(duì)蝙蝠樣品進(jìn)行掃描，通過(guò)重構(gòu)算法得到蝙蝠的斷層圖像，斷層圖像包含了蝙蝠的內(nèi)部信息，對(duì)這些圖像進(jìn)行高斯濾波和二值化處理，可以得帶蝙蝠聲道的數(shù)字信息，借用VTK三維建模方法得到聲道的三維數(shù)值模型。蝙蝠三維模型中不同的灰度值表示不同的蝙蝠組織，經(jīng)過(guò)布爾邏輯運(yùn)算，填充蝙蝠聲道內(nèi)的腔體，可以得到蝙蝠不同的內(nèi)在結(jié)構(gòu)。

6、其次，網(wǎng)格化的三維數(shù)字結(jié)構(gòu)可以用于有限單元法的數(shù)值計(jì)算，求解聲場(chǎng)的亥姆霍茲方程，得到聲道內(nèi)部的聲場(chǎng)分布，分析蝙蝠聲道內(nèi)部聲壓強(qiáng)度的變化，可以得到聲道內(nèi)部結(jié)構(gòu)的聲學(xué)特性。
　　實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明蝙蝠的聲道在超聲傳輸過(guò)程中起著濾波的作用，對(duì)蝙蝠聲納脈沖信號(hào)的二次諧波起著增強(qiáng)的作用，而對(duì)其它頻段的信號(hào)起著抑制的作用，蝙蝠的內(nèi)部腔體在超聲傳輸過(guò)程中起著各自不同的作用。鼻腔主要影響聲道傳輸特性曲線的峰值和波峰的中心頻率，而下聲門氣管壁上的側(cè)腔起著