高鞍菊头蝠奇异鼻叶及外耳形状的声学功能研究

论文摘要

经过大自然的进化选择,大部分蝙蝠进化出了一套高效的超声回声定位系统,称之为生物声纳。这个生物声纳系统主要包括发射信号部分(嘴或鼻孔)和信号接收部分(外耳),从使用超声定位的蝙蝠的外形上看,发射信号部分的周围被复杂的褶皱(鼻叶)所包围,这些褶皱的位置及其结构被认为具有改变蝙蝠超声脉冲发射方向的作用,目前已经有实验研究表明鼻叶确实具有复杂的声学功能。但由于仅仅局限于观察和粗糙的测量,只能对极少的现象加以解释。而本文所研究的高鞍菊头蝠(Rhinolophus paradoxolophus)其奇特的鼻叶结构和巨大的外耳的声学功能一直没有得到充分的研究。本文应用数值计算方法首次对高鞍菊头蝠的鼻叶和外耳进行了声学方面的研究,主要分析了高鞍菊头蝠鼻叶上一个特殊的鞍状叶结构的声学作用,并首次从物理功能与生物突起进化的角度解释了高鞍菊头蝠长鼻之谜。根据高鞍菊头蝠实际超声定位的过程对外耳结构的声学功能进行了研究,着重分析了外耳上的对耳屏结构在超声接收过程中的声学用途,同时分析了外耳顶端在外耳外侧褶皱的收缩控制下发生弯折的声学作用,可以实现在低频的超声探测中增强波束的副瓣或者产生新的副瓣,以达到对主探测区域之外的区域进行探测的目的。首先是原始生物数据的获取,实验中应用高分辨率X射线微型CT机对高鞍菊头蝠鼻叶和外耳样品进行扫描,获得鼻叶和外耳的原始数字投影图像。利用用三维锥形光束重建算法得到了鼻叶和外耳结构的横断面图像,这些具有256灰度级的图像通过高斯滤波器和二值化处理,得到空气和生物组织可清晰界定的图像,利用三维数字图像处理技术,获得高鞍菊头蝠鼻叶和外耳的三维数字图像表征。利用数字图像处理中的三维图像技术,按照一定规律改变鞍状叶的长度,给定一系列伸缩因子,使鞍状叶沿着它的本征轴方向,平滑地缩短或者伸长鞍状叶,缩短的倍数是从原始长度依次缩短1/8,一直到只剩原始长度的1/8,这样产生7个新的具有一系列短于原始鞍状叶长度的鼻叶结构;伸长的倍数是从原始长度依次伸长1/8,一直到原始长度的2倍,这样产生8个新的具有一系列长于原始鞍状叶长度的鼻叶结构。如此操作包括原始鼻叶结构在内一共得到16个具有不同鞍状叶长度的鼻叶结构,鞍状叶长度从1/8到2。为了验证结果可信度,对鞍状叶的伸缩操作与结果分析是在三只不同高鞍菊头蝠个体的鼻叶上分别进行的。利用与鼻叶鞍状叶变形类似的方法,对高鞍菊头蝠的对耳屏进行了旋转操作,操作是在两个自由度上进行,一方面进行对耳屏在垂直于它最小的本征轴的平面上左右旋转的操作,一方面进行对耳屏靠近外耳耳廓的操作。实际变形是以上两种旋转操作的组合,在垂直于它最小的本征轴的平面上左右旋转的操作设定了5个旋转位置,对蝙蝠的右耳朵分别是向左10°,向左20°,向左30°,向右10°,向右20°,这样包括原始位置一共有六种情况,靠近外耳耳廓的操作设定了4个旋转位置,分别是旋转10°,20°,30°,40°,这样包括原始位置一共有五种情况,两种旋转的组合共得到30个外耳结构(包括原始外耳结构),除去三个已经旋转到与外耳耳廓有重叠的情况,再添加对耳屏被完全切掉的情况,最后有28个不同的外耳结构。在以上28个不同的外耳结构基础上又模拟了褶皱收缩导致的外耳顶端的弯折,对外耳的三维数据实验是在三个高鞍菊头蝠外耳样品上分别进行的,包括两只右耳朵和一只左耳朵,对左耳朵的操作又与右耳朵稍有不同,在左右方向上的旋转角度为从向左20°到向右30°。利用有限元分析方法模拟了以上变形结构的近场声压分布,利用基尔霍夫积分从近场数据得到了其远场声压强度的分布,分析了不同结构的空间方向敏感性,通过测量鼻叶超声波束在仰角方向上的宽度,得到超声波束关于鞍状叶长度的数值函数,对于最低谐波,波束模式包含一个单一但是相对来说比较宽的波包,鞍状叶长度的变化仅轻微的改变了波束侧翼的形状。波包总体角宽度基本保持不变。但是在第二和第三谐波,鞍状叶长度变化对超声波束有强烈的影响,在第二谐波(中心频率54kHz),垂直方向(仰角)的波束宽度随着鞍状叶长度的拉长呈单调变小趋势。这种现象也与天线的基本原理相一致,与波长越是接近的孔径,产生窄波束的能力就越强。结果同时表明,自然状态下的鞍状叶长度是一个特值:所有缩短的鞍状叶长度对超声波束的会聚作用随着鞍状叶长度的变短明显的变得更差,而人工拉长的鼻子对超声波束的会聚只有微乎其微的额外作用。因此,高鞍菊头蝠鞍状叶这种不寻常的生物形状特例仅仅从它的物理功能就可以预知。对外耳的模拟计算发现,对耳屏的左右旋转对超声波束形成起到的作用比较小,而褶皱收缩导致的外耳顶端的弯折却给高鞍菊头蝠带来了有利的超声定位影响,数据分析表明,高鞍菊头蝠通过褶皱收缩导致的外耳顶端的弯折明显的增加了远场波束副瓣的数量和强度。为了降低能耗,蝙蝠飞行时一般用低频进行普通的环境探测,而在低频下的副瓣的增加和增强就显得尤为重要,无需发出更高频率的超声就可以使探测主方向的同时探测附近的方向。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 符号和缩略词
• 1 引言
• 1.1 生物声纳研究进展
• 1.2 蝙蝠的声纳系统
• 1.3 高鞍菊头蝠特殊的声纳结构
• 2 获得实验数据及前期处理
• 2.1 样品采集及数据
• 2.1.1 蝙蝠样品的选取
• 2.1.2 样品的CT扫描
• 2.1.3 利用投影图像重建断层图像
• 2.2 由断层图像建立三维模型
• 2.2.1 断层图像的优化处理
• 2.2.2 利用VTK进行三维建模
• 2.2.3 蝙蝠耳朵模型的人工耳道
• 2.2.4 声源的简化处理和声场互易定理
• 3 计算方法
• 3.1 蝙蝠超声脉冲信号的频谱分析
• 3.1.1 蝙蝠超声信号发射类型
• 3.1.2 高鞍菊头蝠超声信号的分析
• 3.2 蝙蝠声纳外形的数字变形
• 3.2.1 旋转矩阵
• 3.2.2 利用主元分析法获得鞍状叶本征轴
• 3.2.3 鼻叶鞍状叶的伸缩变形
• 3.2.4 外耳对耳屏结构的旋转变形
• 3.3 有限元法计算声场
• 3.3.1 有限元法简介
• 3.3.2 声场的Helmholtz方程
• 3.3.3 利用PETSc解方程组
• 3.4 近场到远场的计算
• 3.4.1 基尔霍夫积分
• 3.4.2 声场及方向敏感性的可视化
• 4 误差分析
• 4.1 人工耳道对波束的影响
• 4.2 有限元方法的计算误差
• 5 鼻叶在超声定位过程中的声学功能
• 5.1 鼻叶近场声压幅度与相位
• 5.2 鼻叶远场辐射波瓣
• 5.3 鼻叶远场波束形成的方向敏感性
• 5.3.1 计算结果
• 5.3.2 波束宽度的测量
• 5.4 鞍状叶在超声定位中的作用
• 6 外耳在超声定位过程中的声学功能
• 6.1 对耳屏对远场波束方向敏感性的影响
• 6.2 外耳顶端弯折的声学作用
• 7 总结和展望
• 7.1 研究结论小结
• 7.2 工作展望
• 参考文献
• 致谢
• 博士期间发表论文
• 附录A 外文论文
• 学位论文评阅及答辩情况表