齒鯨生物經(jīng)過長(zhǎng)期自然選擇,進(jìn)化出小巧、靈敏、高效的聲吶系統(tǒng).齒鯨生物聲吶研究涉及海洋物理、聲學(xué)、生物學(xué)、仿生學(xué)和信息學(xué)等學(xué)科,對(duì)于生物仿生、水聲聲吶、信號(hào)處理、水下探測(cè)與通信等領(lǐng)域具有參考價(jià)值.本文從聲吶系統(tǒng)解剖結(jié)構(gòu)、聲吶信號(hào)與聲吶波束調(diào)控三方面出發(fā)介紹齒鯨聲吶發(fā)射系統(tǒng).首先,介紹如何利用計(jì)算機(jī)斷層掃描成像與超聲測(cè)量技術(shù)重建齒鯨聲吶發(fā)射系統(tǒng)的高精度三維結(jié)構(gòu),獲取其聲速、密度分布,為聲吶系統(tǒng)的功能研究建立基礎(chǔ).隨后,探究聲吶系統(tǒng)發(fā)出的聲信號(hào)的特性,研究聲信號(hào)與生物行為之間的聯(lián)系.最后,參考齒鯨生物聲吶解剖結(jié)構(gòu)與聲吶信號(hào)特性建立數(shù)值模型研究聲發(fā)射系統(tǒng)的氣質(zhì)結(jié)構(gòu)、軟組織結(jié)構(gòu)和骨質(zhì)結(jié)構(gòu)組成的聲學(xué)多相介質(zhì)對(duì)聲波傳播的控制作用.齒鯨生物能利用其聲吶信號(hào)的多樣性與聲吶發(fā)射系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜特性動(dòng)態(tài)調(diào)整聲波傳播與波束形成.探究齒鯨生物聲吶工作原理能加深對(duì)生物多相介質(zhì)中的聲傳播過程的理解,有望為水下仿生聲探測(cè)與感知技術(shù)的發(fā)展提供新思路. 

【文章來源】：物理學(xué)報(bào). 2020,69(15)北大核心EISCICSCD

【文章頁數(shù)】：12 頁

【部分圖文】：

東亞江豚頭部聲學(xué)結(jié)構(gòu)的三維重建;(b)小抹香鯨頭部聲學(xué)結(jié)構(gòu)的三維重建;(c)中華白海豚頭部聲學(xué)結(jié)構(gòu)的三維重建結(jié)果;青色、棕色、紅色、黃色和灰色分別表示結(jié)締組織、額隆、聲源、氣囊與上頜骨

圖8(a)中心頻率為130 kHz的聲脈沖經(jīng)過鼠海豚無頭骨模型調(diào)控形成的聲波波束;(b)中心頻率為130 kHz的聲脈沖經(jīng)過鼠海豚完整模型調(diào)控形成的聲波波束[31]4.2 氣質(zhì)結(jié)構(gòu)在聲傳播與波束形成中的作用

齒鯨聲發(fā)射系統(tǒng)由物理特性各異的聲學(xué)結(jié)構(gòu)組合形成.齒鯨生物聲吶系統(tǒng)位于頭部,發(fā)聲系統(tǒng)的各個(gè)結(jié)構(gòu)位于前額.齒鯨生物之間雖大小尺寸各異,但發(fā)射系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成相似[25].東亞江豚(narrow-ridged finless porpoise,Neophocaena sunameri)、小抹香鯨(pygmy sperm whale,Kogia breviceps)、以及中華白海豚(Indo-Pacific humpback dolphin,Sousa chinensis)的頭部三維重建(圖1)表明不同齒鯨生物的頭部形態(tài)各異.東亞江豚與小抹香鯨無明顯的喙部吻突,而中華白海豚的喙部吻突明顯.結(jié)構(gòu)的差異性相應(yīng)地會(huì)影響聲波波束.三種齒鯨聲發(fā)射系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)(圖2)表明骨質(zhì)結(jié)構(gòu)的密度高,能較完整地進(jìn)行重建,而軟組織與氣道系統(tǒng)的重建與樣本狀態(tài)息息相關(guān).脂肪組織、結(jié)締組織和肌肉組織的聲速、密度呈現(xiàn)梯度分布,形成由內(nèi)到外的層化結(jié)構(gòu).東亞江豚和中華白海豚的聲源結(jié)構(gòu)尺寸較小,以中軸線為參考,位置大致呈現(xiàn)左右對(duì)稱,前、后各有一塊由脂肪塊組成的復(fù)合結(jié)構(gòu).小抹香鯨的額隆前側(cè)呈現(xiàn)出方形、鈍形.相對(duì)于東亞江豚與中華白海豚,小抹香鯨的鼻道結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)左、右不對(duì)稱[34-37].東亞江豚的左、右聲源相對(duì)于額隆末端呈對(duì)稱分布,聲源未與額隆后側(cè)銜接,而中華白海豚的右側(cè)聲源與額隆末端是銜接的.齒鯨生物雖遵循類似的氣動(dòng)致聲原理,但具體的聲源位置、結(jié)構(gòu)與尺寸存在一定的差別.

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
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本文編號(hào)：3423061