外耳内壁上的皮瓣在仿生声纳天线中的作用

论文摘要

随着信息时代的到来,天线作为通讯系统的一部分在日常生活中的许多领域发挥着重要的作用。随着通讯需求的不断提高,传统的天线已经不能完全满足人类的需要,因此能够调整波束方向的智能天线技术又被广泛的研究。对天线设计而言其特性至关重要,例如提高信噪比可以有效的减少发射功率,这与良好的波束方向性以及天线的形状都是相关联的。所以天线的形状以及天线形状与其方向性之间的关系都是研究的重点。经过大自然的进化,世界上的1000多种蝙蝠中绝大部分蝙蝠都已经进化出了一套完整的超声感应通讯系统——声纳,声纳系统的天线主要包括信号的发射器（嘴或鼻子）和接收器（外耳）。鼻子和耳朵经常被一些复杂的生物组织结构所包围,这些结构有助于蝙蝠调解波束的形状。从物理角度上说,电磁波场的波动问题和声场的波动问题在本质是相似,因此研究这些复杂结构与波束形成之间的关系有助于人类提高天线设计水平。由于蝙蝠种群的多样性和丰富性,其外耳和鼻叶的很多形态结构都可以作为研究对象来建立特征结构与波束形成之间的关系。由于蝙蝠声纳天线形状的复杂性和不规则性,要想得到声场的解析解是不太可能的,因此我们选择数值解法。本实验中我们应用有限元和边界无限元方法来得到进场分布数值解,然后再利用基尔霍夫积分得到远场数值解。本文选取了大耳蝠（Plecotus auritus）的耳廓模型作为研究对象,其耳廓的突出的结构特征是耳内缘基部有两条明显的皮瓣。通过对比研究这两条皮瓣发现其中的一个皮瓣（下皮瓣）在波束形成中起重要的作用,对比计算含有和移除此皮瓣后的外耳,发现了其在一定频段能够使波束旁瓣随频率的改变而像折扇打开一样扫描一定的空间区域,从而得到更多的声源方向性信息。进而我们在外耳与其产生的方向性信息之间建立了一个即时与定量的联系,并引入Crame′r-Rao下界来衡量信息量的多少,这使得我们可以知道某一具体的外耳形状特征能够产生多少信息以及如何产生。此外,还比较了近场声场特性,引入了场分解法分析计算了外耳各部分对声场的影响。研究发现其中的相关项在波束扫描过程中起重要作用,证明了这一结构有助于优化仿生天线的方向敏感性。本文利用FEM方法得到了外耳周围声场分布的数值解以及远场声场方向性分布,利用计算机模拟仿真的方法分析了其外耳结构中不同部分对声场近场及远场的影响。由于包括人类在内的许多哺乳动物耳廓的工作原理都是相同的,所以此研究方法可以广泛的应用于哺乳动物和人的听觉系统研究。其研究结论使人类更深刻的理解FM蝙蝠超声定位系统的原理,由于蝙蝠所用的超声波与人类无线通讯用的电磁波物理规律类似,所以此研究结论对工业天线结构的设计具有一定的理论指导意义。

论文目录

• 目录
• CONTENTS
• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 概述
• §1.1 天线历史
• §1.2 仿生声纳
• §1.2.1 仿生学
• §1.2.2 蝙蝠声纳
• §1.3 蝙蝠仿生声纳天线
• 第二章 实验方法
• §2.1 耳朵样品
• §2.2 微型断层扫描仪（micro-CT）扫描
• §2.3 数字图像处理及模型三维重构
• §2.4 有限元方法（FEM）计算声场分布
• §2.4.1 FEM简介
• §2.4.2 声学基础
• §2.4.3 FEM求解解波动方程
• §2.4.4 利用PETSc解方程组
• §2.5 基尔霍夫积分（Kirchhoff Integral）
• §2.6 计算结果的可视化
• 第三章 计算结果分析
• §3.1 数字化手术处理及声场分布计算
• §3.2 各结构的作用比较
• §3.2.1 上下皮瓣对方向性的影响
• §3.2.2 皮瓣与信息获取
• §3.3 场分解法
• 第四章 结论和展望
• §4.1 研究结论小结
• §4.2 工作展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文目录
• 学位论文评阅及答辩情况表