微型生物聽覺系統(tǒng)的定向機理及仿生聲感應結構的設計和實驗研究.pdf

1、聲源定位在工程應用中具有重要的價值。常見的聲源定位一般是通過若干個傳聲器單元組成的傳聲器陣列來實現(xiàn)的,各傳聲器單元對聲激勵產(chǎn)生響應而生成多個時間序列,并將其送至實現(xiàn)定位算法的運算單元中從而計算得到聲源的位置。通常,傳聲器陣列中的各傳聲器單元之間均獨立而不相互耦合,為獲得足夠的聲場信息,必須保證傳聲器陣列具有一定的單元個數(shù),此外,為保證定位的精度,傳聲器單元的間距也往往遠大于傳聲器單元的距離精度,也即其間距要遠大于系統(tǒng)采樣周期與聲波在介質

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,結構也較為復雜。而在一些特殊的應用領域,如微型運載工具用高精度微型聲納、具有聲源定位功能的感向助聽器等中,需要聲定位結構在保證定位精度的前提下,兼具微型化的特征。
　　 此外,在水聲學領域中,常使用拖曳陣等陣列形式組成聲納系統(tǒng),利用聲波對海洋中存在的水下目標進行探測、識別和定位。為提高其測向精度,需要組成大的水聽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,且需要安裝相當多的航向感應器來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的這些缺點提高了聲納系統(tǒng)實際運用的難度,因此減小基陣尺度對于聲納系統(tǒng)的應用具有重要的意義。
　　 上述應用領域對聲定位系統(tǒng)的結構提出了特殊的要求,因而須尋找新的技術來滿足使用需求。近年來,基于對各種動物,尤其是對具有優(yōu)異聲源定位能力的奧米亞棕寄生蠅等微型生物的聽覺定向機理的探索及其仿生學研究,將有可能為上述應用領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的。
　　 奧米亞棕蠅等微型動物的耳間距十分微小,卻能憑借其構造獨特的聲感應系統(tǒng)對外界入射聲源的方位作出準確的判斷。這種優(yōu)異的定位能力得益于其雙耳間角質皮膜結構的一種機械耦合放大效應。本文的研究對象是奧米亞棕蠅的聽覺系統(tǒng)及相應的仿生力學模型及實驗模型,研究的目的是借鑒奧米亞棕蠅聽覺系統(tǒng)的聲定位機制,研究并提出一種新的仿生三維聲定位方法,建立相應的力學模型和實驗室模型,通過深入的理論和實驗研究,最終

5、建立一套仿生三維聲感應結構的設計理論與方法體系。在此基礎上,設計制造實驗室模型裝置并對其進行實驗驗證。通過本課題研究,為具有自主知識產(chǎn)權的微型仿生聲傳感與定位系統(tǒng)的研發(fā)和應用奠定基礎。
　　 對于設計仿生聲感應結構來說,利用何種定向機制來完成對聲源方向角的估算,以及仿生結構本身應如何選取適當?shù)牧W參數(shù)來與所采取的定位機制相對應,是應當解決的首要問題。因此,本文在前人對奧米亞棕寄生蠅所進行的解剖學及生理學研究基礎上,對其聽覺器官的

6、聲定向機理及動力學特性進行了較為深入的分析研究,分析探討了()仿生聲感應結構時可采用的定位機制,即通過測量耦合振膜結構兩側響應幅值差及相位差等信息來對聲源方向角進行估測,并探討了模型力學參數(shù)對于系統(tǒng)響應的影響。
　　 通過對仿生聲感應結構可采用的定向機制所進行的探討,提出了可用于三維空間內對聲源方向角進行感測的仿生聲感應結構的力學模型,并對該力學模型的動力學特性及其在不同的頻率與方向的入射聲激勵下的響應特性進行了相應的分析和討論

7、,并分析了力學模型中關鍵參數(shù)對結構響應的影響及耦合結構對聲激勵幅值差和相位差的放大作用。分析結果表明,聲激勵的入射方向同三個振膜的響應之間存在著特定的關系,由此提出了一種通過檢測并分析三個振膜的響應狀況以估測聲激勵入射角度的方法。
　　 在前述理論分析的基礎上,本文提出了仿生聲感應結構的設計方案,該方案利用彈簧和繞固定軸旋轉的剛性桿實現(xiàn)了振膜之間振動響應的耦合。隨后,導出了該聲感應結構的振動微分方程,分析了實際結構參數(shù)與力學模型