马来假吸血蝠和大足鼠耳蝠超声波束形成结构的数值研究

摘要

蝙蝠经过长时间的进化形成一套成熟的、灵敏的生物声呐系统，所有小蝙蝠亚目的蝙蝠都可以利用这套声呐系统进行定位、捕食或环境探测。蝙蝠由喉部的声带振动产生超声波，通过口腔或鼻腔向外传播，声波遇到障碍物后反射回来并被蝙蝠的耳朵接收。目前一些实验和数值方面的研究表明，在超声波向外传播的过程中，蝙蝠头部的声呐器官（例如鼻叶等）可以影响蝙蝠的发射声场。本文应用数值计算方法，首次研究了马来假吸血蝠鼻叶的两个组成部分（顶叶和前叶）对其发射声场的影响，同时还研究了大足鼠耳蝠嘴巴张开的角度对其发射声场的影响。
　　本文的研究方法和内容包含以下三方面:
　　(1)捕获蝙蝠样本并构建三维数字结构。在野外采集蝙蝠样本后，利用高分辨率的微型X射线CT扫描仪分别对马来假吸血蝠鼻叶和大足鼠耳蝠的头部进行X射线扫描，得到这两种结构的X射线投影投影图。利用计算机三维锥形光束重建算法得到包含多灰度等级的断层图像，将马来假吸血蝠鼻叶和大足鼠耳蝠头部的断层图像再通过高斯滤波和二值化处理等步骤，得到二值化图像，最终将这两种结构的二值化图像叠加就得到了用立方体体素组成的马来假吸血蝠鼻叶三维数字结构和大足鼠耳蝠头部的三维数字结构。通过计算机图像处理和三维可视化技术分别剔除马来假吸血蝠鼻叶的两个组成部分（顼叶和前叶），得到三种鼻叶结构，即完整的鼻叶结构、无顶叶的鼻叶结构、无前叶的鼻叶结构;对于大足鼠耳蝠的头部，则通过旋转下颌部位，得到嘴巴具有不同张开角度的头部数字结构。
　　(2)声场的计算。基于构建的三维数字结构，在适当的位置添加激励源并进行数值仿真计算，计算区域分为近场和远场。近场采用时域有限差分法，将计算区域进行网格化处理，网格元胞的边长就等于三维数字结构的立方体体素边长，设置完全匹配层来模拟开域声场，得到近场声场的声压幅值;基于近场数值结果利用基尔霍夫积分公式得到远场声场计算结果。声场近场的数值解通过三个可移动的且互相垂直的平面表示，不同的颜色表示不同的声场幅值;声场远场则采用辐射波瓣图表示，波瓣图不能表示具体的远场幅值，所以应该重点关注波瓣图的外形。
　　(3)数值计算结果的分析。计算结果的定量分析则需要通过辐射波瓣图的方向性相关系数或波瓣图方向性指数等方法进行分析。最后，计算结果的讨论则需要借助现有的物理理论，由复杂的关系发现简单的对应关系。
　　通过分析计算结果主要得到以下结论:
　　(1)马来假吸血蝠鼻叶的两个组成部分（顶叶和前叶）对其发射声场具有显著影响。这两个组成部分在辐射波束形成的过程中起着不同的作用，并且分别在不同的频域内对辐射声场产生影响:低频范围内，顶叶可以影响辐射波束范围，使辐射波束的范围变小;在高频范围内主要是前叶起作用，它可以改变辐射波束的方向。
　　(2)大足鼠耳蝠嘴巴的张开角度对辐射声场的形成具有重要作用。在一定的张开角度下，辐射声波的频率越高，辐射波束的方向性就越高，而在一定的发声频率下，辐射波束的方向性随着嘴巴张开角度的增加而增加。也就是说，蝙蝠可以通过改变嘴巴张开的角度来控制发射声场的方向性。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究历史和背景

1．2 蝙蝠的声呐系统

1．2．1 蝙蝠的声信号类型和特征

1．2．2 蝙蝠的声呐系统构成

1．2．3 蝙蝠声呐系统的识别分辨率

1．3 蝙蝠声呐系统的研究进展

1．3．1 蝙蝠解剖学

1．3．2 蝙蝠声音信号测量

1．3．3 蝙蝠发射接收声场的研究

1．4 论文的主要内容

1．5 研究目的和意义

参考文献

第2章 研究方法

2．1 蝙蝠样本的捕获

2．2 马来假吸血蝠与其鼻叶结构

2．3 大足鼠耳蝠与其头部结构

2．4 三维数字模型的构建

2．4．1 微型CT扫描

2．4．2 扫描图像的处理

2．4．3 三维数字结构及其表示方法

2．5 声场计算方法

2．5．1 时域有限差分法

2．5．2 基尔霍夫积分

2．6 计算结果的表示方法

2．6．1 近场瞬时声压幅值和声压振幅

2．6．2 远场辐射波瓣图

2．6．3 辐射波瓣图的方向性因子和方向性指数

2．6．4 辐射波瓣图方向性相关系数

2．7 本章小结

参考文献

第3章 马来假吸血蝠鼻叶的声学功能

3．1 计算结果

3．1．1 近场声压幅度分布

3．1．2 远场辐射波瓣图

3．1．3 远场辐射波瓣图的方向性相关系数

3．2 讨论和结论

第4章 大足鼠耳蝠嘴巴张开角度对声场的影响

4．1 计算结果

4．1．1 近场声压幅度分布

4．1．2 远场辐射波瓣图

4．1．3 辐射波瓣图方向性指数

4．2 讨论和结论

第5章 总结和展望

5．1 研究工作内容总结

5．2 主要结论及创新点

5．3 研究工作展望

后记

攻读硕士学位期间论文发表及科研情况