蝙蝠外耳邊緣擴(kuò)展對(duì)波束形成的影響的研究.pdf

1、在一些種類(lèi)的蝙蝠(比如Nyctalus，Tadarida,和Megadema)的外耳上發(fā)現(xiàn)有一種特殊的形態(tài)結(jié)構(gòu)，就是外耳邊緣的擴(kuò)展部分。對(duì)Megaderma屬的蝙蝠而言，它們的外耳邊緣處有一個(gè)很大的擴(kuò)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(diǎn)就是通過(guò)模擬計(jì)算來(lái)預(yù)測(cè)這種明顯的外耳擴(kuò)展部分對(duì)波束形成的影響。 為了得到蝙蝠外耳的聲學(xué)特性，有必要得到一個(gè)具有相當(dāng)高的精度的波束定向性類(lèi)型，也就是要得到一個(gè)定量的依賴于方位角，

2、仰角和頻率的敏感度函數(shù)。在本文中，首先獲取蝙蝠外耳耳廓的幾何輪廓結(jié)構(gòu)，然后在這個(gè)輪廓邊界上對(duì)聲場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，從而獲得這種由聲學(xué)衍射效應(yīng)導(dǎo)致的特性。 蝙蝠的外耳標(biāo)本是從蝙蝠的尸體上切除得到的。本文研究的標(biāo)本來(lái)自于3只大巨耳蝠(megaderma spasma)，因而總共得到6個(gè)外耳(3個(gè)左耳和3個(gè)右耳)的標(biāo)本。對(duì)每一個(gè)外耳標(biāo)本，首先要放到微型X射線斷層掃描儀中進(jìn)行掃描。經(jīng)過(guò)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(duì)斷層圖像進(jìn)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(duì)表征外耳的圖像元素進(jìn)行離散化處理。選擇一個(gè)緊緊包圍外耳組織的立方體的邊框定義為近場(chǎng)聲場(chǎng)模擬的計(jì)算域。這樣，利用有限元方法(FEM)將該區(qū)域離散成網(wǎng)格，再結(jié)合無(wú)限元方法對(duì)該區(qū)域外的空間進(jìn)行離散，其中該區(qū)域的邊界假定滿足邊界吸收條件。通過(guò)這種有限元和無(wú)限元方

4、法耦合，可以用計(jì)算機(jī)模擬計(jì)算得到近場(chǎng)的聲場(chǎng)值(用聲壓表征)。然后通過(guò)基爾霍夫積分方法將近場(chǎng)的聲場(chǎng)正向投影到遠(yuǎn)場(chǎng)，在得到遠(yuǎn)場(chǎng)的聲場(chǎng)值后就可以計(jì)算得到遠(yuǎn)場(chǎng)的定向性等表征波束的參量?；谏鲜龆档谋碚黩鹜舛囊幌盗袛鄬訄D像，可以通過(guò)計(jì)算機(jī)數(shù)字化的操縱外耳的形狀結(jié)構(gòu)。本文中就是采用這種方法對(duì)大巨耳蝠的外耳的邊緣擴(kuò)展部分進(jìn)行處理，將之從原始的耳朵上去除掉之后再進(jìn)行第二次的近場(chǎng)模擬計(jì)算和遠(yuǎn)場(chǎng)正向投影，這樣通過(guò)共二次的模擬就可以比較外耳邊緣擴(kuò)展部分

5、存在與否對(duì)波束形成的影響。 經(jīng)研究，大巨耳蝠的外耳作為口徑形成的遠(yuǎn)場(chǎng)波束在整個(gè)頻率范圍內(nèi)存在一個(gè)明顯的主瓣，另外，從某些頻率開(kāi)始，當(dāng)頻率升高時(shí)，會(huì)出現(xiàn)一些相會(huì)較小的旁瓣?？傮w來(lái)說(shuō)，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(zhǎng)相對(duì)來(lái)說(shuō)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(nèi)，計(jì)算得到其特征向量所指的方向，用這個(gè)矢量方向來(lái)定義該波束的走向。在這個(gè)定義下，研究發(fā)現(xiàn)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(guān)于波束的特征的性質(zhì)，在所有的基于6個(gè)蝙蝠外耳標(biāo)本的模擬計(jì)算的結(jié)果中都被發(fā)現(xiàn)，盡管有一些其他的個(gè)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(kuò)展部分在波束形成中的作用。在計(jì)算機(jī)中用數(shù)字模擬的方法對(duì)外耳擴(kuò)展部分進(jìn)行去除之后，發(fā)現(xiàn)其波束比原始的外耳形成的波束更寬。也就是說(shuō)，外耳擴(kuò)展部分能夠使波束更窄更集中。另外還發(fā)現(xiàn)，波束變窄的方向正好是外耳擴(kuò)展部

7、分在外耳的相對(duì)位置的方向。實(shí)際上，擴(kuò)展部分在水平方向上增加了外耳的寬度。從在遠(yuǎn)場(chǎng)的表征波束類(lèi)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(gè)效應(yīng)在整個(gè)頻率范圍內(nèi)都能看到。一個(gè)關(guān)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(xiàn)正好印證了這個(gè)原理。通過(guò)對(duì)所有的6個(gè)標(biāo)本的模擬計(jì)算，確認(rèn)了這種在大巨耳蝠的外耳擴(kuò)展對(duì)波束形成的影響。 大巨耳蝠通過(guò)一些小型的脊椎動(dòng)物發(fā)出的聲納信號(hào)來(lái)尋找食物。這就是所謂