高鞍菊頭蝠奇異鼻葉及外耳形狀的聲學功能研究.pdf

1、經(jīng)過大自然的進化選擇，大部分蝙蝠進化出了一套高效的超聲回聲定位系統(tǒng)，稱之為生物聲納。這個生物聲納系統(tǒng)主要包括發(fā)射信號部分(嘴或鼻孔)和信號接收部分(外耳)，從使用超聲定位的蝙蝠的外形上看，發(fā)射信號部分的周圍被復雜的褶皺(鼻葉)所包圍，這些褶皺的位置及其結構被認為具有改變蝙蝠超聲脈沖發(fā)射方向的作用，目前已經(jīng)有實驗研究表明鼻葉確實具有復雜的聲學功能。但由于僅僅局限于觀察和粗糙的測量，只能對極少的現(xiàn)象加以解釋。而本文所研究的高鞍菊頭蝠(Rhi

2、nolophus paradoxolophus)其奇特的鼻葉結構和巨大的外耳的聲學功能一直沒有得到充分的研究。
　　 本文應用數(shù)值計算方法首次對高鞍菊頭蝠的鼻葉和外耳進行了聲學方面的研究，主要分析了高鞍菊頭蝠鼻葉上一個特殊的鞍狀葉結構的聲學作用，并首次從物理功能與生物突起進化的角度解釋了高鞍菊頭蝠長鼻之謎。根據(jù)高鞍菊頭蝠實際超聲定位的過程對外耳結構的聲學功能進行了研究，著重分析了外耳上的對耳屏結構在超聲接收過程中的聲學用途，同時

3、分析了外耳頂端在外耳外側褶皺的收縮控制下發(fā)生彎折的聲學作用，可以實現(xiàn)在低頻的超聲探測中增強波束的副瓣或者產(chǎn)生新的副瓣，以達到對主探測區(qū)域之外的區(qū)域進行探測的目的。
　　 首先是原始生物數(shù)據(jù)的獲取，實驗中應用高分辨率X射線微型CT機對高鞍菊頭蝠鼻葉和外耳樣品進行掃描，獲得鼻葉和外耳的原始數(shù)字投影圖像。利用用三維錐形光束重建算法得到了鼻葉和外耳結構的橫斷面圖像，這些具有256灰度級的圖像通過高斯濾波器和二值化處理，得到空氣和生物組織

4、可清晰界定的圖像，利用三維數(shù)字圖像處理技術，獲得高鞍菊頭蝠鼻葉和外耳的三維數(shù)字圖像表征。
　　 利用數(shù)字圖像處理中的三維圖像技術，按照一定規(guī)律改變鞍狀葉的長度，給定一系列伸縮因子，使鞍狀葉沿著它的本征軸方向，平滑地縮短或者伸長鞍狀葉，縮短的倍數(shù)是從原始長度依次縮短1/8，一直到只剩原始長度的1/8，這樣產(chǎn)生7個新的具有一系列短于原始鞍狀葉長度的鼻葉結構；伸長的倍數(shù)是從原始長度依次伸長1/8，一直到原始長度的2倍，這樣產(chǎn)生8個新的

5、具有一系列長于原始鞍狀葉長度的鼻葉結構。如此操作包括原始鼻葉結構在內一共得到16個具有不同鞍狀葉長度的鼻葉結構，鞍狀葉長度從1/8到2。為了驗證結果可信度，對鞍狀葉的伸縮操作與結果分析是在三只不同高鞍菊頭蝠個體的鼻葉上分別進行的。
　　 利用與鼻葉鞍狀葉變形類似的方法，對高鞍菊頭蝠的對耳屏進行了旋轉操作，操作是在兩個自由度上進行，一方面進行對耳屏在垂直于它最小的本征軸的平面上左右旋轉的操作，一方面進行對耳屏靠近外耳耳廓的操作。實

6、際變形是以上兩種旋轉操作的組合，在垂直于它最小的本征軸的平面上左右旋轉的操作設定了5個旋轉位置，對蝙蝠的右耳朵分別是向左10°，向左20°，向左30°，向右10°，向右20°，這樣包括原始位置一共有六種情況，靠近外耳耳廓的操作設定了4個旋轉位置，分別是旋轉10°，20°，30°，40°，這樣包括原始位置一共有五種情況，兩種旋轉的組合共得到30個外耳結構(包括原始外耳結構)，除去三個已經(jīng)旋轉到與外耳耳廓有重疊的情況，再添加對耳屏被完全切掉

7、的情況，最后有28個不同的外耳結構。
　　 在以上28個不同的外耳結構基礎上又模擬了褶皺收縮導致的外耳頂端的彎折，對外耳的三維數(shù)據(jù)實驗是在三個高鞍菊頭蝠外耳樣品上分別進行的，包括兩只右耳朵和一只左耳朵，對左耳朵的操作又與右耳朵稍有不同，在左右方向上的旋轉角度為從向左20°到向右30°。
　　 利用有限元分析方法模擬了以上變形結構的近場聲壓分布，利用基爾霍夫積分從近場數(shù)據(jù)得到了其遠場聲壓強度的分布，分析了不同結構的空間方向

8、敏感性，通過測量鼻葉超聲波束在仰角方向上的寬度，得到超聲波束關于鞍狀葉長度的數(shù)值函數(shù)，對于最低諧波，波束模式包含一個單一但是相對來說比較寬的波包，鞍狀葉長度的變化僅輕微的改變了波束側翼的形狀。波包總體角寬度基本保持不變。但是在第二和第三諧波，鞍狀葉長度變化對超聲波束有強烈的影響，在第二諧波(中心頻率54kHz)，垂直方向(仰角)的波束寬度隨著鞍狀葉長度的拉長呈單調變小趨勢。這種現(xiàn)象也與天線的基本原理相一致，與波長越是接近的孔徑，產(chǎn)生窄波

9、束的能力就越強。結果同時表明，自然狀態(tài)下的鞍狀葉長度是一個特值：所有縮短的鞍狀葉長度對超聲波束的會聚作用隨著鞍狀葉長度的變短明顯的變得更差，而人工拉長的鼻子對超聲波束的會聚只有微乎其微的額外作用。因此，高鞍菊頭蝠鞍狀葉這種不尋常的生物形狀特例僅僅從它的物理功能就可以預知。
　　 對外耳的模擬計算發(fā)現(xiàn)，對耳屏的左右旋轉對超聲波束形成起到的作用比較小，而褶皺收縮導致的外耳頂端的彎折卻給高鞍菊頭蝠帶來了有利的超聲定位影響，數(shù)據(jù)分析表明