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。蝙蝠是哺乳動物中最為常見的一種生物，也是仿生科學(xué)普遍研究的一種生物，蝙蝠在其適應(yīng)自然界的進化過程中，進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，時變系統(tǒng)的物理機制時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)鍵的物理機制中。
　　蝙蝠的超聲脈沖遵循一個標準的哺乳動物機

2、制，這種機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，相對于人造超聲發(fā)生器，蝙蝠具有其獨特和無與倫比的聲學(xué)特征:蝙蝠的體積小，可發(fā)出高強度，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。所有這些過程都是隨時間變化的物理過程，從聲納信號的時間頻率模式上看是顯而易見的?，F(xiàn)在已普遍獲得認可的是，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，例如在毫秒級別的刻度上。因此，蝙蝠的超聲是由時變物理過程和時變的波包通過蝙蝠聲納通信信道的剩余部分產(chǎn)生的，他們可能引發(fā)更多的時變影響。因此，聲音的產(chǎn)生機理可以看做是一個級聯(lián)的時變機制，其中一方面是由前方的時變行為觸發(fā)，另一方面為具有獨立聲源的時變行為，具有獨立聲源的時變行為可能與前方傳遞過來的時變效應(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)射和接收等過程。因為時變行為的重點是蝙蝠超聲的產(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（通過微型CT掃描），來研究蝙蝠超聲產(chǎn)生的過程。蝙蝠利用喉部的聲帶開閉進行發(fā)聲，由聲帶產(chǎn)生的超聲波通過具有濾波功能的聲道進行傳播，聲道具有復(fù)雜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，其內(nèi)部各個腔體對超聲的傳輸均有著作用。
　　不同于傳統(tǒng)的生物學(xué)上對蝙蝠聲納系統(tǒng)的研究方法，本文中我們用數(shù)值模擬計算的方法對蝙蝠的聲道進行了聲學(xué)方面的研究，數(shù)值模擬分析方法，是計算機技術(shù)與數(shù)學(xué)建模相結(jié)合的新的科學(xué)研究方法，越來

5、越普遍的用于科學(xué)仿真和工程設(shè)計。運用數(shù)值計算方法研究仿生的問題，最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)是對研究的模型進行建模，首先，我們利用X射線微型CT掃描儀對蝙蝠樣品進行掃描，通過重構(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，對這些圖像進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)過布爾邏輯運算，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)值計算，求解聲場的亥姆霍茲方程，得到聲道內(nèi)部的聲場分布，分析蝙蝠聲道內(nèi)部聲壓強度的變化，可以得到聲道內(nèi)部結(jié)構(gòu)的聲學(xué)特性。
　　實驗結(jié)果表明蝙蝠的聲道在超聲傳輸過程中起著濾波的作用，對蝙蝠聲納脈沖信號的二次諧波起著增強的作用，而對其它頻段的信號起著抑制的作用，蝙蝠的內(nèi)部腔體在超聲傳輸過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