论文摘要
在一些种类的蝙蝠(比如Nyctalus,Tadarida,和Megaderma)的外耳上发现有一种特殊的形态结构,就是外耳边缘的扩展部分。对Megaderma属的蝙蝠而言,它们的外耳边缘处有一个很大的扩展部分,在几何上明显增大了外耳耳廓的宽度。本文研究的重点就是通过模拟计算来预测这种明显的外耳扩展部分对波束形成的影响。为了得到蝙蝠外耳的声学特性,有必要得到一个具有相当高的精度的波束定向性类型,也就是要得到一个定量的依赖于方位角,仰角和频率的敏感度函数。在本文中,首先获取蝙蝠外耳耳廓的几何轮廓结构,然后在这个轮廓边界上对声场进行数值模拟计算,从而获得这种由声学衍射效应导致的特性。蝙蝠的外耳标本是从蝙蝠的尸体上切除得到的。本文研究的标本来自于3只大巨耳蝠(megaderma spasma),因而总共得到6个外耳(3个左耳和3个右耳)的标本。对每一个外耳标本,首先要放到微型X射线断层扫描仪中进行扫描。经过X射线扫描之后,得到一系列投影图片,由三维的锥束重建算法把这些投影图片重建为断层图像。从三维的角度在断层图像里可以看到空气和外耳组织的边界。然后对断层图像进行平滑,阈值处理和其他一些图像处理,得到二值的灰度图像。这种图像格式是为了以后能对表征外耳的图像元素进行离散化处理。选择一个紧紧包围外耳组织的立方体的边框定义为近场声场模拟的计算域。这样,利用有限元方法(FEM)将该区域离散成网格,再结合无限元方法对该区域外的空间进行离散,其中该区域的边界假定满足边界吸收条件。通过这种有限元和无限元方法耦合,可以用计算机模拟计算得到近场的声场值(用声压表征)。然后通过基尔霍夫积分方法将近场的声场正向投影到远场,在得到远场的声场值后就可以计算得到远场的定向性等表征波束的参量。基于上述二值的表征蝙蝠外耳的一系列断层图像,可以通过计算机数字化的操纵外耳的形状结构。本文中就是采用这种方法对大巨耳蝠的外耳的边缘扩展部分进行处理,将之从原始的耳朵上去除掉之后再进行第二次的近场模拟计算和远场正向投影,这样通过共二次的模拟就可以比较外耳边缘扩展部分存在与否对波束形成的影响。经研究,大巨耳蝠的外耳作为口径形成的远场波束在整个频率范围内存在一个明显的主瓣,另外,从某些频率开始,当频率升高时,会出现一些相会较小的旁瓣。总体来说,波束的宽度随着频率的升高而降低。在低频率的情况下,由于声波的波长相对来说比较大,所以形成的波束比较宽。为了描述该波束的形状和特征,在主瓣的半功率波束范围内,计算得到其特征向量所指的方向,用这个矢量方向来定义该波束的走向。在这个定义下,研究发现波束的宽度在在仰角方向上要比在方位角方向上更小。以上的关于波束的特征的性质,在所有的基于6个蝙蝠外耳标本的模拟计算的结果中都被发现,尽管有一些其他的个体间的差异存在。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边缘扩展部分在波束形成中的作用。在计算机中用数字模拟的方法对外耳扩展部分进行去除之后,发现其波束比原始的外耳形成的波束更宽。也就是说,外耳扩展部分能够使波束更窄更集中。另外还发现,波束变窄的方向正好是外耳扩展部分在外耳的相对位置的方向。实际上,扩展部分在水平方向上增加了外耳的宽度。从在远场的表征波束类型的定向性的波束图上看,波束宽度增加的方向基本上都是方位角的方向。这个效应在整个频率范围内都能看到。一个关于天线口径和波束宽度的理论:天线口径越大,波束宽度越小。本文的发现正好印证了这个原理。通过对所有的6个标本的模拟计算,确认了这种在大巨耳蝠的外耳扩展对波束形成的影响。大巨耳蝠通过一些小型的脊椎动物发出的声纳信号来寻找食物。这就是所谓的被动声纳。从此可以推断在不太高的频段范围内精确的声纳定位对它们而言十分重要。因此,这种变得更窄的波束在其生物声纳系统中将会是一个重要的特征,具体来说可以使蝙蝠探测到那种很弱的信号(仅仅在某一个方向上敏感度高的信号),从而实现精确定位。