生物聲吶系統信號調製機制之探索及實驗研究

《生物聲吶系統信號調製機制之探索及實驗研究》是依託山東大學，由馮林擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：生物聲吶系統信號調製機制之探索及實驗研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：馮林
• 依託單位：山東大學

中文摘要

資訊時代的到來，對天線的性能提出了更高要求。研製高靈敏度、低功耗的天線已成為當前通訊技術領域的研究熱點，為此，人們提出了智慧型天線、仿生天線等概念。蝙蝠聲吶系統是仿生天線研究中最常被模仿的範例。與通訊系統類似地，蝙蝠可能通過振動鼻葉和外耳來對其發射和接收的超音波實現某種調製和解調，但此前學術界對此關注較少，只是對靜態的鼻葉或外耳模型進行聲場數值計算，並且此類計算迄今為止還缺乏相關實驗驗證。針對此現狀，本項目以菊頭蝠為研究對象，擬藉助高速相機、超聲測量儀、雷射測振儀等設備，實時觀測、記錄菊頭蝠鼻葉運動與超聲發射、雙耳形變與超聲接收在時間上的關係，建立量化的聲場模型來揭示蝙蝠聲吶系統動態工作機理，並利用三維印表機製作出蝙蝠頭部模型，利用超聲探測儀在多點式測量，實測得到空間不同位置的聲壓值，並與計算所得的聲場進行比較，驗證計算方法的合理性與否。本項目的研究結果對於仿生天線的設計具有重要的指導意義。

結題摘要

在長期的自然演化過程中，蝙蝠發射（即鼻孔及周圍鼻葉）和接收（即耳朵）超音波的器官，形成了複雜的外形結構。以往的研究工作表明，這些生物結構決定了蝙蝠聲吶波束的形成，並且可以影響聲場的近、遠場分布特性，有助於提高蝙蝠聲吶系統的指向性和靈敏度。 在本項目中，我們研究了蝙蝠鼻葉對超音波發射場分布的調製作用，以及蝙蝠外耳對超音波接收場分布的調製規律。我們選擇了兩類不同屬蝙蝠（菊頭蝠和普氏蹄蝠）研究其不同的鼻葉結構，發現菊頭蝠的馬蹄葉和普氏蹄蝠的前葉都展現出與超音波脈衝發射脈衝同步的運動行為特性。鼻葉的運動呈現出雙相的速度脈衝圖樣，起先是朝著遠離頭的方向運動，運動速度較小但時間較長，然後再做反向運動，運動速度較大而時間較短。每一個運動周期接受，鼻葉都回到初始位置，然後再繼續下一個運動周期。在運動過程中，鼻葉會產生形變，進而影響發射聲場的強度分布。另外，我們觀察到普氏蹄蝠面部另一特徵結構與其年齡相關的顯著變化，建模計算出了聲場強度的空間分布。 蝙蝠的外耳接收環境反射的回聲超音波。我們研究了回聲脈衝抵達蝙蝠頭部與蝙蝠雙耳形變在時間上的相關性，發現在回聲抵達時，蝙蝠外耳正在形變過程中，也就是說，蝙蝠的外耳正在進行非剛性運動。並且，蝙蝠的雙耳可相互配合，調節其朝向和形貌，最佳化聲場接收的靈敏度。除此以外，我們還研究了蝙蝠外耳皮瓣對頻率驅動掃描的影響，發現皮瓣本身是一個相對較小的結構，不能對聲波產生顯著的影響。然而，皮瓣可以將原來的半開腔分為兩個半開放腔，引起皮瓣兩側的共振，導致遠場頻率驅動的副瓣掃描。 本項目的研究成果，有助於進一步深入認識生物聲吶系統工作原理，對智慧型天線等設備的設計和研製具有重要的指導作用。