微型生物聽(tīng)覺(jué)系統(tǒng)的定向機(jī)理及仿生聲感應(yīng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、聲源定位在工程應(yīng)用中具有重要的價(jià)值。常見(jiàn)的聲源定位一般是通過(guò)若干個(gè)傳聲器單元組成的傳聲器陣列來(lái)實(shí)現(xiàn)的,各傳聲器單元對(duì)聲激勵(lì)產(chǎn)生響應(yīng)而生成多個(gè)時(shí)間序列,并將其送至實(shí)現(xiàn)定位算法的運(yùn)算單元中從而計(jì)算得到聲源的位置。通常,傳聲器陣列中的各傳聲器單元之間均獨(dú)立而不相互耦合,為獲得足夠的聲場(chǎng)信息,必須保證傳聲器陣列具有一定的單元個(gè)數(shù),此外,為保證定位的精度,傳聲器單元的間距也往往遠(yuǎn)大于傳聲器單元的距離精度,也即其間距要遠(yuǎn)大于系統(tǒng)采樣周期與聲波在介質(zhì)

2、中的傳播速度的乘積。因此,傳聲器陣列的整體尺寸將比較龐大,結(jié)構(gòu)也較為復(fù)雜。而在一些特殊的應(yīng)用領(lǐng)域,如微型運(yùn)載工具用高精度微型聲納、具有聲源定位功能的感向助聽(tīng)器等中,需要聲定位結(jié)構(gòu)在保證定位精度的前提下,兼具微型化的特征。
　　 此外,在水聲學(xué)領(lǐng)域中,常使用拖曳陣等陣列形式組成聲納系統(tǒng),利用聲波對(duì)海洋中存在的水下目標(biāo)進(jìn)行探測(cè)、識(shí)別和定位。為提高其測(cè)向精度,需要組成大的水聽(tīng)器基陣并加大其布置的間隔,因而基陣尺寸將比較龐大,在航行中容

3、易遭到損壞,且需要安裝相當(dāng)多的航向感應(yīng)器來(lái)修正基陣在航行中存在的較大的曲率。聲納基陣龐大的尺度帶來(lái)的這些缺點(diǎn)提高了聲納系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)用的難度,因此減小基陣尺度對(duì)于聲納系統(tǒng)的應(yīng)用具有重要的意義。
　　 上述應(yīng)用領(lǐng)域?qū)β暥ㄎ幌到y(tǒng)的結(jié)構(gòu)提出了特殊的要求,因而須尋找新的技術(shù)來(lái)滿(mǎn)足使用需求。近年來(lái),基于對(duì)各種動(dòng)物,尤其是對(duì)具有優(yōu)異聲源定位能力的奧米亞棕寄生蠅等微型生物的聽(tīng)覺(jué)定向機(jī)理的探索及其仿生學(xué)研究,將有可能為上述應(yīng)用領(lǐng)域提供較好的解決方案

4、。本文的研究就是在這種背景下展開(kāi)的。
　　 奧米亞棕蠅等微型動(dòng)物的耳間距十分微小,卻能憑借其構(gòu)造獨(dú)特的聲感應(yīng)系統(tǒng)對(duì)外界入射聲源的方位作出準(zhǔn)確的判斷。這種優(yōu)異的定位能力得益于其雙耳間角質(zhì)皮膜結(jié)構(gòu)的一種機(jī)械耦合放大效應(yīng)。本文的研究對(duì)象是奧米亞棕蠅的聽(tīng)覺(jué)系統(tǒng)及相應(yīng)的仿生力學(xué)模型及實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?研究的目的是借鑒奧米亞棕蠅聽(tīng)覺(jué)系統(tǒng)的聲定位機(jī)制,研究并提出一種新的仿生三維聲定位方法,建立相應(yīng)的力學(xué)模型和實(shí)驗(yàn)室模型,通過(guò)深入的理論和實(shí)驗(yàn)研究,最終

5、建立一套仿生三維聲感應(yīng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)理論與方法體系。在此基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)制造實(shí)驗(yàn)室模型裝置并對(duì)其進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。通過(guò)本課題研究,為具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的微型仿生聲傳感與定位系統(tǒng)的研發(fā)和應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。
　　 對(duì)于設(shè)計(jì)仿生聲感應(yīng)結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō),利用何種定向機(jī)制來(lái)完成對(duì)聲源方向角的估算,以及仿生結(jié)構(gòu)本身應(yīng)如何選取適當(dāng)?shù)牧W(xué)參數(shù)來(lái)與所采取的定位機(jī)制相對(duì)應(yīng),是應(yīng)當(dāng)解決的首要問(wèn)題。因此,本文在前人對(duì)奧米亞棕寄生蠅所進(jìn)行的解剖學(xué)及生理學(xué)研究基礎(chǔ)上,對(duì)其聽(tīng)覺(jué)器官的

6、聲定向機(jī)理及動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行了較為深入的分析研究,分析探討了()仿生聲感應(yīng)結(jié)構(gòu)時(shí)可采用的定位機(jī)制,即通過(guò)測(cè)量耦合振膜結(jié)構(gòu)兩側(cè)響應(yīng)幅值差及相位差等信息來(lái)對(duì)聲源方向角進(jìn)行估測(cè),并探討了模型力學(xué)參數(shù)對(duì)于系統(tǒng)響應(yīng)的影響。
　　 通過(guò)對(duì)仿生聲感應(yīng)結(jié)構(gòu)可采用的定向機(jī)制所進(jìn)行的探討,提出了可用于三維空間內(nèi)對(duì)聲源方向角進(jìn)行感測(cè)的仿生聲感應(yīng)結(jié)構(gòu)的力學(xué)模型,并對(duì)該力學(xué)模型的動(dòng)力學(xué)特性及其在不同的頻率與方向的入射聲激勵(lì)下的響應(yīng)特性進(jìn)行了相應(yīng)的分析和討論

7、,并分析了力學(xué)模型中關(guān)鍵參數(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)響應(yīng)的影響及耦合結(jié)構(gòu)對(duì)聲激勵(lì)幅值差和相位差的放大作用。分析結(jié)果表明,聲激勵(lì)的入射方向同三個(gè)振膜的響應(yīng)之間存在著特定的關(guān)系,由此提出了一種通過(guò)檢測(cè)并分析三個(gè)振膜的響應(yīng)狀況以估測(cè)聲激勵(lì)入射角度的方法。
　　 在前述理論分析的基礎(chǔ)上,本文提出了仿生聲感應(yīng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案,該方案利用彈簧和繞固定軸旋轉(zhuǎn)的剛性桿實(shí)現(xiàn)了振膜之間振動(dòng)響應(yīng)的耦合。隨后,導(dǎo)出了該聲感應(yīng)結(jié)構(gòu)的振動(dòng)微分方程,分析了實(shí)際結(jié)構(gòu)參數(shù)與力學(xué)模型