微型生物聽覺系統(tǒng)的定向機理及仿生聲感應(yīng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計和實驗研究.pdf

1、聲源定位在工程應(yīng)用中具有重要的價值。常見的聲源定位一般是通過若干個傳聲器單元組成的傳聲器陣列來實現(xiàn)的,各傳聲器單元對聲激勵產(chǎn)生響應(yīng)而生成多個時間序列,并將其送至實現(xiàn)定位算法的運算單元中從而計算得到聲源的位置。通常,傳聲器陣列中的各傳聲器單元之間均獨立而不相互耦合,為獲得足夠的聲場信息,必須保證傳聲器陣列具有一定的單元個數(shù),此外,為保證定位的精度,傳聲器單元的間距也往往遠大于傳聲器單元的距離精度,也即其間距要遠大于系統(tǒng)采樣周期與聲波在介質(zhì)

2、中的傳播速度的乘積。因此,傳聲器陣列的整體尺寸將比較龐大,結(jié)構(gòu)也較為復(fù)雜。而在一些特殊的應(yīng)用領(lǐng)域,如微型運載工具用高精度微型聲納、具有聲源定位功能的感向助聽器等中,需要聲定位結(jié)構(gòu)在保證定位精度的前提下,兼具微型化的特征。
　　 此外,在水聲學(xué)領(lǐng)域中,常使用拖曳陣等陣列形式組成聲納系統(tǒng),利用聲波對海洋中存在的水下目標(biāo)進行探測、識別和定位。為提高其測向精度,需要組成大的水聽器基陣并加大其布置的間隔,因而基陣尺寸將比較龐大,在航行中容

3、易遭到損壞,且需要安裝相當(dāng)多的航向感應(yīng)器來修正基陣在航行中存在的較大的曲率。聲納基陣龐大的尺度帶來的這些缺點提高了聲納系統(tǒng)實際運用的難度,因此減小基陣尺度對于聲納系統(tǒng)的應(yīng)用具有重要的意義。
　　 上述應(yīng)用領(lǐng)域?qū)β暥ㄎ幌到y(tǒng)的結(jié)構(gòu)提出了特殊的要求,因而須尋找新的技術(shù)來滿足使用需求。近年來,基于對各種動物,尤其是對具有優(yōu)異聲源定位能力的奧米亞棕寄生蠅等微型生物的聽覺定向機理的探索及其仿生學(xué)研究,將有可能為上述應(yīng)用領(lǐng)域提供較好的解決方案

4、。本文的研究就是在這種背景下展開的。
　　 奧米亞棕蠅等微型動物的耳間距十分微小,卻能憑借其構(gòu)造獨特的聲感應(yīng)系統(tǒng)對外界入射聲源的方位作出準(zhǔn)確的判斷。這種優(yōu)異的定位能力得益于其雙耳間角質(zhì)皮膜結(jié)構(gòu)的一種機械耦合放大效應(yīng)。本文的研究對象是奧米亞棕蠅的聽覺系統(tǒng)及相應(yīng)的仿生力學(xué)模型及實驗?zāi)Ｐ?研究的目的是借鑒奧米亞棕蠅聽覺系統(tǒng)的聲定位機制,研究并提出一種新的仿生三維聲定位方法,建立相應(yīng)的力學(xué)模型和實驗室模型,通過深入的理論和實驗研究,最終

5、建立一套仿生三維聲感應(yīng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計理論與方法體系。在此基礎(chǔ)上,設(shè)計制造實驗室模型裝置并對其進行實驗驗證。通過本課題研究,為具有自主知識產(chǎn)權(quán)的微型仿生聲傳感與定位系統(tǒng)的研發(fā)和應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。
　　 對于設(shè)計仿生聲感應(yīng)結(jié)構(gòu)來說,利用何種定向機制來完成對聲源方向角的估算,以及仿生結(jié)構(gòu)本身應(yīng)如何選取適當(dāng)?shù)牧W(xué)參數(shù)來與所采取的定位機制相對應(yīng),是應(yīng)當(dāng)解決的首要問題。因此,本文在前人對奧米亞棕寄生蠅所進行的解剖學(xué)及生理學(xué)研究基礎(chǔ)上,對其聽覺器官的

6、聲定向機理及動力學(xué)特性進行了較為深入的分析研究,分析探討了()仿生聲感應(yīng)結(jié)構(gòu)時可采用的定位機制,即通過測量耦合振膜結(jié)構(gòu)兩側(cè)響應(yīng)幅值差及相位差等信息來對聲源方向角進行估測,并探討了模型力學(xué)參數(shù)對于系統(tǒng)響應(yīng)的影響。
　　 通過對仿生聲感應(yīng)結(jié)構(gòu)可采用的定向機制所進行的探討,提出了可用于三維空間內(nèi)對聲源方向角進行感測的仿生聲感應(yīng)結(jié)構(gòu)的力學(xué)模型,并對該力學(xué)模型的動力學(xué)特性及其在不同的頻率與方向的入射聲激勵下的響應(yīng)特性進行了相應(yīng)的分析和討論

7、,并分析了力學(xué)模型中關(guān)鍵參數(shù)對結(jié)構(gòu)響應(yīng)的影響及耦合結(jié)構(gòu)對聲激勵幅值差和相位差的放大作用。分析結(jié)果表明,聲激勵的入射方向同三個振膜的響應(yīng)之間存在著特定的關(guān)系,由此提出了一種通過檢測并分析三個振膜的響應(yīng)狀況以估測聲激勵入射角度的方法。
　　 在前述理論分析的基礎(chǔ)上,本文提出了仿生聲感應(yīng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計方案,該方案利用彈簧和繞固定軸旋轉(zhuǎn)的剛性桿實現(xiàn)了振膜之間振動響應(yīng)的耦合。隨后,導(dǎo)出了該聲感應(yīng)結(jié)構(gòu)的振動微分方程,分析了實際結(jié)構(gòu)參數(shù)與力學(xué)模型