外耳內(nèi)壁上的皮瓣在仿生聲納天線中的作用.pdf

1、隨著信息時(shí)代的到來，天線作為通訊系統(tǒng)的一部分在日常生活中的許多領(lǐng)域發(fā)揮著重要的作用。隨著通訊需求的不斷提高，傳統(tǒng)的天線已經(jīng)不能完全滿足人類的需要，因此能夠調(diào)整波束方向的智能天線技術(shù)又被廣泛的研究。對(duì)天線設(shè)計(jì)而言其特性至關(guān)重要，例如提高信噪比可以有效的減少發(fā)射功率，這與良好的波束方向性以及天線的形狀都是相關(guān)聯(lián)的。所以天線的形狀以及天線形狀與其方向性之間的關(guān)系都是研究的重點(diǎn)。 經(jīng)過大自然的進(jìn)化，世界上的1000多種蝙蝠中絕大部分蝙蝠

2、都已經(jīng)進(jìn)化出了一套完整的超聲感應(yīng)通訊系統(tǒng)--聲納，聲納系統(tǒng)的天線主要包括信號(hào)的發(fā)射器(嘴或鼻子)和接收器(外耳)。鼻子和耳朵經(jīng)常被一些復(fù)雜的生物組織結(jié)構(gòu)所包圍，這些結(jié)構(gòu)有助于蝙蝠調(diào)解波束的形狀。從物理角度上說，電磁波場(chǎng)的波動(dòng)問題和聲場(chǎng)的波動(dòng)問題在本質(zhì)是相似，因此研究這些復(fù)雜結(jié)構(gòu)與波束形成之間的關(guān)系有助于人類提高天線設(shè)計(jì)水平。由于蝙蝠種群的多樣性和豐富性，其外耳和鼻葉的很多形態(tài)結(jié)構(gòu)都可以作為研究對(duì)象來建立特征結(jié)構(gòu)與波束形成之間的關(guān)系。由于

3、蝙蝠聲納天線形狀的復(fù)雜性和不規(guī)則性，要想得到聲場(chǎng)的解析解是不太可能的，因此選擇數(shù)值解法。本實(shí)驗(yàn)中應(yīng)用有限元和邊界無限元方法來得到進(jìn)場(chǎng)分布數(shù)值解，然后再利用基爾霍夫積分得到遠(yuǎn)場(chǎng)數(shù)值解。 本文選取了大耳蝠(Plecotus auritus)的耳廓模型作為研究對(duì)象，其耳廓的突出的結(jié)構(gòu)特征是耳內(nèi)緣基部有兩條明顯的皮瓣。通過對(duì)比研究這兩條皮瓣發(fā)現(xiàn)其中的一個(gè)皮瓣(下皮瓣)在波束形成中起重要的作用，對(duì)比計(jì)算含有和移除此皮瓣后的外耳，發(fā)現(xiàn)了其在

4、一定頻段能夠使波束旁瓣隨頻率的改變而像折扇打開一樣掃描一定的空間區(qū)域，從而得到更多的聲源方向性信息。進(jìn)而在外耳與其產(chǎn)生的方向性信息之間建立了一個(gè)即時(shí)與定量的聯(lián)系，并引入Crame′r-Rao下界來衡量信息量的多少，這可以知道某一具體的外耳形狀特征能夠產(chǎn)生多少信息以及如何產(chǎn)生。此外，還比較了近場(chǎng)聲場(chǎng)特性，引入了場(chǎng)分解法分析計(jì)算了外耳各部分對(duì)聲場(chǎng)的影響。研究發(fā)現(xiàn)其中的相關(guān)項(xiàng)在波束掃描過程中起重要作用，證明了這一結(jié)構(gòu)有助于優(yōu)化仿生天線的方向敏

5、感性。 本文利用FEM方法得到了外耳周圍聲場(chǎng)分布的數(shù)值解以及遠(yuǎn)場(chǎng)聲場(chǎng)方向性分布，利用計(jì)算機(jī)模擬仿真的方法分析了其外耳結(jié)構(gòu)中不同部分對(duì)聲場(chǎng)近場(chǎng)及遠(yuǎn)場(chǎng)的影響。由于包括人類在內(nèi)的許多哺乳動(dòng)物耳廓的工作原理都是相同的，所以此研究方法可以廣泛的應(yīng)用于哺乳動(dòng)物和人的聽覺系統(tǒng)研究。其研究結(jié)論使人類更深刻的理解FM蝙蝠超聲定位系統(tǒng)的原理，由于蝙蝠所用的超聲波與人類無線通訊用的電磁波物理規(guī)律類似，所以此研究結(jié)論對(duì)工業(yè)天線結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)具有一定的理論指