蝙蝠外耳邊緣擴展對波束形成的影響的研究.pdf

1、在一些種類的蝙蝠(比如Nyctalus，Tadarida,和Megadema)的外耳上發(fā)現有一種特殊的形態(tài)結構，就是外耳邊緣的擴展部分。對Megaderma屬的蝙蝠而言，它們的外耳邊緣處有一個很大的擴展部分，在幾何上明顯增大了外耳耳廓的寬度。本文研究的重點就是通過模擬計算來預測這種明顯的外耳擴展部分對波束形成的影響。 為了得到蝙蝠外耳的聲學特性，有必要得到一個具有相當高的精度的波束定向性類型，也就是要得到一個定量的依賴于方位角，

2、仰角和頻率的敏感度函數。在本文中，首先獲取蝙蝠外耳耳廓的幾何輪廓結構，然后在這個輪廓邊界上對聲場進行數值模擬計算，從而獲得這種由聲學衍射效應導致的特性。 蝙蝠的外耳標本是從蝙蝠的尸體上切除得到的。本文研究的標本來自于3只大巨耳蝠(megaderma spasma)，因而總共得到6個外耳(3個左耳和3個右耳)的標本。對每一個外耳標本，首先要放到微型X射線斷層掃描儀中進行掃描。經過X射線掃描之后，得到一系列投影圖片，由三維的錐束重建

3、算法把這些投影圖片重建為斷層圖像。從三維的角度在斷層圖像里可以看到空氣和外耳組織的邊界。然后對斷層圖像進行平滑，閾值處理和其他一些圖像處理，得到二值的灰度圖像。這種圖像格式是為了以后能對表征外耳的圖像元素進行離散化處理。選擇一個緊緊包圍外耳組織的立方體的邊框定義為近場聲場模擬的計算域。這樣，利用有限元方法(FEM)將該區(qū)域離散成網格，再結合無限元方法對該區(qū)域外的空間進行離散，其中該區(qū)域的邊界假定滿足邊界吸收條件。通過這種有限元和無限元方

4、法耦合，可以用計算機模擬計算得到近場的聲場值(用聲壓表征)。然后通過基爾霍夫積分方法將近場的聲場正向投影到遠場，在得到遠場的聲場值后就可以計算得到遠場的定向性等表征波束的參量。基于上述二值的表征蝙蝠外耳的一系列斷層圖像，可以通過計算機數字化的操縱外耳的形狀結構。本文中就是采用這種方法對大巨耳蝠的外耳的邊緣擴展部分進行處理，將之從原始的耳朵上去除掉之后再進行第二次的近場模擬計算和遠場正向投影，這樣通過共二次的模擬就可以比較外耳邊緣擴展部分

5、存在與否對波束形成的影響。 經研究，大巨耳蝠的外耳作為口徑形成的遠場波束在整個頻率范圍內存在一個明顯的主瓣，另外，從某些頻率開始，當頻率升高時，會出現一些相會較小的旁瓣?？傮w來說，波束的寬度隨著頻率的升高而降低。在低頻率的情況下，由于聲波的波長相對來說比較大，所以形成的波束比較寬。為了描述該波束的形狀和特征，在主瓣的半功率波束范圍內，計算得到其特征向量所指的方向，用這個矢量方向來定義該波束的走向。在這個定義下，研究發(fā)現波束的寬度

6、在在仰角方向上要比在方位角方向上更小。以上的關于波束的特征的性質，在所有的基于6個蝙蝠外耳標本的模擬計算的結果中都被發(fā)現，盡管有一些其他的個體間的差異存在。 本文除了研究了大巨耳蝠的外耳的波束形成之外，更重要的是要研究外耳邊緣擴展部分在波束形成中的作用。在計算機中用數字模擬的方法對外耳擴展部分進行去除之后，發(fā)現其波束比原始的外耳形成的波束更寬。也就是說，外耳擴展部分能夠使波束更窄更集中。另外還發(fā)現，波束變窄的方向正好是外耳擴展部

7、分在外耳的相對位置的方向。實際上，擴展部分在水平方向上增加了外耳的寬度。從在遠場的表征波束類型的定向性的波束圖上看，波束寬度增加的方向基本上都是方位角的方向。這個效應在整個頻率范圍內都能看到。一個關于天線口徑和波束寬度的理論：天線口徑越大，波束寬度越小。本文的發(fā)現正好印證了這個原理。通過對所有的6個標本的模擬計算，確認了這種在大巨耳蝠的外耳擴展對波束形成的影響。 大巨耳蝠通過一些小型的脊椎動物發(fā)出的聲納信號來尋找食物。這就是所謂