高鞍菊頭蝠奇異鼻葉及外耳形狀的聲學(xué)功能研究.pdf

1、經(jīng)過(guò)大自然的進(jìn)化選擇，大部分蝙蝠進(jìn)化出了一套高效的超聲回聲定位系統(tǒng)，稱之為生物聲納。這個(gè)生物聲納系統(tǒng)主要包括發(fā)射信號(hào)部分(嘴或鼻孔)和信號(hào)接收部分(外耳)，從使用超聲定位的蝙蝠的外形上看，發(fā)射信號(hào)部分的周圍被復(fù)雜的褶皺(鼻葉)所包圍，這些褶皺的位置及其結(jié)構(gòu)被認(rèn)為具有改變蝙蝠超聲脈沖發(fā)射方向的作用，目前已經(jīng)有實(shí)驗(yàn)研究表明鼻葉確實(shí)具有復(fù)雜的聲學(xué)功能。但由于僅僅局限于觀察和粗糙的測(cè)量，只能對(duì)極少的現(xiàn)象加以解釋。而本文所研究的高鞍菊頭蝠(Rhi

2、nolophus paradoxolophus)其奇特的鼻葉結(jié)構(gòu)和巨大的外耳的聲學(xué)功能一直沒(méi)有得到充分的研究。
　　 本文應(yīng)用數(shù)值計(jì)算方法首次對(duì)高鞍菊頭蝠的鼻葉和外耳進(jìn)行了聲學(xué)方面的研究，主要分析了高鞍菊頭蝠鼻葉上一個(gè)特殊的鞍狀葉結(jié)構(gòu)的聲學(xué)作用，并首次從物理功能與生物突起進(jìn)化的角度解釋了高鞍菊頭蝠長(zhǎng)鼻之謎。根據(jù)高鞍菊頭蝠實(shí)際超聲定位的過(guò)程對(duì)外耳結(jié)構(gòu)的聲學(xué)功能進(jìn)行了研究，著重分析了外耳上的對(duì)耳屏結(jié)構(gòu)在超聲接收過(guò)程中的聲學(xué)用途，同時(shí)

3、分析了外耳頂端在外耳外側(cè)褶皺的收縮控制下發(fā)生彎折的聲學(xué)作用，可以實(shí)現(xiàn)在低頻的超聲探測(cè)中增強(qiáng)波束的副瓣或者產(chǎn)生新的副瓣，以達(dá)到對(duì)主探測(cè)區(qū)域之外的區(qū)域進(jìn)行探測(cè)的目的。
　　 首先是原始生物數(shù)據(jù)的獲取，實(shí)驗(yàn)中應(yīng)用高分辨率X射線微型CT機(jī)對(duì)高鞍菊頭蝠鼻葉和外耳樣品進(jìn)行掃描，獲得鼻葉和外耳的原始數(shù)字投影圖像。利用用三維錐形光束重建算法得到了鼻葉和外耳結(jié)構(gòu)的橫斷面圖像，這些具有256灰度級(jí)的圖像通過(guò)高斯濾波器和二值化處理，得到空氣和生物組織

4、可清晰界定的圖像，利用三維數(shù)字圖像處理技術(shù)，獲得高鞍菊頭蝠鼻葉和外耳的三維數(shù)字圖像表征。
　　 利用數(shù)字圖像處理中的三維圖像技術(shù)，按照一定規(guī)律改變鞍狀葉的長(zhǎng)度，給定一系列伸縮因子，使鞍狀葉沿著它的本征軸方向，平滑地縮短或者伸長(zhǎng)鞍狀葉，縮短的倍數(shù)是從原始長(zhǎng)度依次縮短1/8，一直到只剩原始長(zhǎng)度的1/8，這樣產(chǎn)生7個(gè)新的具有一系列短于原始鞍狀葉長(zhǎng)度的鼻葉結(jié)構(gòu)；伸長(zhǎng)的倍數(shù)是從原始長(zhǎng)度依次伸長(zhǎng)1/8，一直到原始長(zhǎng)度的2倍，這樣產(chǎn)生8個(gè)新的

5、具有一系列長(zhǎng)于原始鞍狀葉長(zhǎng)度的鼻葉結(jié)構(gòu)。如此操作包括原始鼻葉結(jié)構(gòu)在內(nèi)一共得到16個(gè)具有不同鞍狀葉長(zhǎng)度的鼻葉結(jié)構(gòu)，鞍狀葉長(zhǎng)度從1/8到2。為了驗(yàn)證結(jié)果可信度，對(duì)鞍狀葉的伸縮操作與結(jié)果分析是在三只不同高鞍菊頭蝠個(gè)體的鼻葉上分別進(jìn)行的。
　　 利用與鼻葉鞍狀葉變形類似的方法，對(duì)高鞍菊頭蝠的對(duì)耳屏進(jìn)行了旋轉(zhuǎn)操作，操作是在兩個(gè)自由度上進(jìn)行，一方面進(jìn)行對(duì)耳屏在垂直于它最小的本征軸的平面上左右旋轉(zhuǎn)的操作，一方面進(jìn)行對(duì)耳屏靠近外耳耳廓的操作。實(shí)

6、際變形是以上兩種旋轉(zhuǎn)操作的組合，在垂直于它最小的本征軸的平面上左右旋轉(zhuǎn)的操作設(shè)定了5個(gè)旋轉(zhuǎn)位置，對(duì)蝙蝠的右耳朵分別是向左10°，向左20°，向左30°，向右10°，向右20°，這樣包括原始位置一共有六種情況，靠近外耳耳廓的操作設(shè)定了4個(gè)旋轉(zhuǎn)位置，分別是旋轉(zhuǎn)10°，20°，30°，40°，這樣包括原始位置一共有五種情況，兩種旋轉(zhuǎn)的組合共得到30個(gè)外耳結(jié)構(gòu)(包括原始外耳結(jié)構(gòu))，除去三個(gè)已經(jīng)旋轉(zhuǎn)到與外耳耳廓有重疊的情況，再添加對(duì)耳屏被完全切掉

7、的情況，最后有28個(gè)不同的外耳結(jié)構(gòu)。
　　 在以上28個(gè)不同的外耳結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上又模擬了褶皺收縮導(dǎo)致的外耳頂端的彎折，對(duì)外耳的三維數(shù)據(jù)實(shí)驗(yàn)是在三個(gè)高鞍菊頭蝠外耳樣品上分別進(jìn)行的，包括兩只右耳朵和一只左耳朵，對(duì)左耳朵的操作又與右耳朵稍有不同，在左右方向上的旋轉(zhuǎn)角度為從向左20°到向右30°。
　　 利用有限元分析方法模擬了以上變形結(jié)構(gòu)的近場(chǎng)聲壓分布，利用基爾霍夫積分從近場(chǎng)數(shù)據(jù)得到了其遠(yuǎn)場(chǎng)聲壓強(qiáng)度的分布，分析了不同結(jié)構(gòu)的空間方向

8、敏感性，通過(guò)測(cè)量鼻葉超聲波束在仰角方向上的寬度，得到超聲波束關(guān)于鞍狀葉長(zhǎng)度的數(shù)值函數(shù)，對(duì)于最低諧波，波束模式包含一個(gè)單一但是相對(duì)來(lái)說(shuō)比較寬的波包，鞍狀葉長(zhǎng)度的變化僅輕微的改變了波束側(cè)翼的形狀。波包總體角寬度基本保持不變。但是在第二和第三諧波，鞍狀葉長(zhǎng)度變化對(duì)超聲波束有強(qiáng)烈的影響，在第二諧波(中心頻率54kHz)，垂直方向(仰角)的波束寬度隨著鞍狀葉長(zhǎng)度的拉長(zhǎng)呈單調(diào)變小趨勢(shì)。這種現(xiàn)象也與天線的基本原理相一致，與波長(zhǎng)越是接近的孔徑，產(chǎn)生窄波

9、束的能力就越強(qiáng)。結(jié)果同時(shí)表明，自然狀態(tài)下的鞍狀葉長(zhǎng)度是一個(gè)特值：所有縮短的鞍狀葉長(zhǎng)度對(duì)超聲波束的會(huì)聚作用隨著鞍狀葉長(zhǎng)度的變短明顯的變得更差，而人工拉長(zhǎng)的鼻子對(duì)超聲波束的會(huì)聚只有微乎其微的額外作用。因此，高鞍菊頭蝠鞍狀葉這種不尋常的生物形狀特例僅僅從它的物理功能就可以預(yù)知。
　　 對(duì)外耳的模擬計(jì)算發(fā)現(xiàn)，對(duì)耳屏的左右旋轉(zhuǎn)對(duì)超聲波束形成起到的作用比較小，而褶皺收縮導(dǎo)致的外耳頂端的彎折卻給高鞍菊頭蝠帶來(lái)了有利的超聲定位影響，數(shù)據(jù)分析表明