海豚生物聲吶超聲波束形成物理機(jī)理研究.pdf

1、作為群居的海洋哺乳動(dòng)物，齒鯨類(lèi)擁有著與眾不同且功能強(qiáng)大的生物聲吶系統(tǒng)。其生物聲吶系統(tǒng)經(jīng)過(guò)自然界的長(zhǎng)期演化和優(yōu)勝劣汰，性能已高度優(yōu)化。海豚的回聲定位聲波能夠在百米內(nèi)探測(cè)到厘米級(jí)大小的物體，并對(duì)毫米級(jí)厚度的金屬目標(biāo)做出辨別，此外還能在探測(cè)移動(dòng)目標(biāo)的時(shí)候?qū)ζ洳ㄊ匦赃M(jìn)行調(diào)整，其性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于目前世界上任何的人工聲吶。其生物聲吶系統(tǒng)卓越的性能引起了世界上聲學(xué)研究者強(qiáng)烈的興趣，不但使得齒鯨類(lèi)生物聲吶研究成為近年來(lái)生物聲學(xué)界以及國(guó)際海洋聲學(xué)界的焦點(diǎn)，

2、還成為新型海洋技術(shù)開(kāi)發(fā)值得關(guān)注的高新科技領(lǐng)域，對(duì)海洋珍稀哺乳動(dòng)物種類(lèi)的保護(hù)和發(fā)展仿生聲納技術(shù)具有極其重要意義。但由于生物聲納的研究屬于聲學(xué)、生物學(xué)、仿生學(xué)等交叉領(lǐng)域，加之生物聲學(xué)機(jī)制的復(fù)雜性以及對(duì)活體生物實(shí)驗(yàn)研究的不確定性，使得此項(xiàng)研究成為一個(gè)極具挑戰(zhàn)性的難題。隨著近年來(lái)計(jì)算機(jī)科學(xué)以及生物醫(yī)學(xué)影像技術(shù)的飛速發(fā)展，基于物理聲學(xué)以及應(yīng)用數(shù)學(xué)的理論數(shù)值模型模擬已經(jīng)成為一種有效的工程分析方法被廣泛地運(yùn)用在生物聲學(xué)的研究中，通過(guò)數(shù)值模擬的研究不但

3、能夠直觀(guān)地揭示生物發(fā)聲的復(fù)雜物理機(jī)理和過(guò)程，還能解決一些目前實(shí)測(cè)實(shí)驗(yàn)無(wú)法回答的難題，并對(duì)實(shí)測(cè)實(shí)驗(yàn)的展開(kāi)提供理論上的指導(dǎo)。
　　根據(jù)定位信號(hào)特征，一般在鯨豚聲學(xué)研究中把齒鯨類(lèi)分為兩大類(lèi)型:寬帶定位信號(hào)型豚類(lèi)和窄帶定位信號(hào)型豚類(lèi)。其中寬帶定位信號(hào)型豚類(lèi)的回聲定位信號(hào)為簡(jiǎn)短的高頻寬帶脈沖，信號(hào)一般有4-8個(gè)周期，持續(xù)時(shí)間為40-70μs，而窄帶定位信號(hào)型豚類(lèi)的回聲定位信號(hào)為高頻窄帶脈沖，信號(hào)的周期數(shù)一般不小于12個(gè)，持續(xù)時(shí)間一般都長(zhǎng)于1

4、00μs?？紤]到結(jié)論的適用性，本文的研究將以寬帶定位信號(hào)型豚類(lèi)中的寬吻海豚和白鱀豚，以及窄帶定位信號(hào)型豚類(lèi)中的鼠海豚和長(zhǎng)江江豚為研究對(duì)象。首先對(duì)死亡動(dòng)物的新鮮樣本進(jìn)行高精度的CT斷層掃描，再對(duì)動(dòng)物的頭部組織進(jìn)行物理特性測(cè)量，以此為基礎(chǔ)重建動(dòng)物頭部的二維和三維模型，并利用有限元數(shù)值模擬的方法對(duì)信號(hào)在海豚頭部產(chǎn)生、頭部?jī)?nèi)部傳播以及傳送到頭部外部形成高指向性聲波的物理過(guò)程進(jìn)行模擬和研究。
　　論文主要包括以下幾個(gè)方面的內(nèi)容:
　　

5、1.闡述介紹海豚聲學(xué)研究的相關(guān)背景以及數(shù)值模擬在鯨豚聲學(xué)中的應(yīng)用。
　　2.通過(guò)對(duì)海豚頭部樣本的計(jì)算機(jī)斷層掃描以及組織物理聲學(xué)特性測(cè)量，對(duì)海豚的頭部進(jìn)行三維聲學(xué)特性重建。
　　3.利用有限元方法搭建海豚頭部發(fā)聲的數(shù)值模型并模擬海豚頭部?jī)?nèi)部聲波產(chǎn)生、傳播到傳送到頭部外部形成高指向性波束的物理過(guò)程。
　　4.揭示聲波如何在海豚頭部?jī)?nèi)部產(chǎn)生散射、折射和反射，以及形成頭部?jī)?nèi)部的聲通道并在頭部外部形成具有特殊指向性的生物聲吶超聲

6、波束的物理機(jī)理。
　　5.通過(guò)數(shù)值模擬和相關(guān)實(shí)測(cè)結(jié)果的比較，以海豚發(fā)聲的物理機(jī)理為基礎(chǔ)，探討海豚聲源處原始信號(hào)的波形。
　　6.通過(guò)建立不同的模型并進(jìn)行比較，以此來(lái)揭示海豚頭部復(fù)雜的生物組織結(jié)構(gòu)在聲波傳播和波束形成的物理過(guò)程中如何相互調(diào)控，并對(duì)國(guó)際鯨豚聲學(xué)領(lǐng)域關(guān)于海豚的額隆組織是否是頭部波束聚焦的根本原因及額隆的具體功能這一具有爭(zhēng)議的焦點(diǎn)問(wèn)題提供直觀(guān)的理論證據(jù)。
　　本文的創(chuàng)新之處在于:
　　第一，本研究首次發(fā)現(xiàn)

7、了未成年長(zhǎng)江江豚頭部的額隆組織不存在諸如其他成年鯨豚類(lèi)的額隆組織具有聲學(xué)參數(shù)從內(nèi)到外呈遞增不均勻分布的現(xiàn)象。
　　第二，本文首次運(yùn)用動(dòng)物離體實(shí)驗(yàn)、實(shí)測(cè)信號(hào)分析和數(shù)值模型相結(jié)合的方法，通過(guò)動(dòng)物離體實(shí)驗(yàn)測(cè)得海豚的組織的物理特性參數(shù)，并以此為基礎(chǔ)對(duì)海豚進(jìn)行三維聲學(xué)特性重建。再結(jié)合大量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的分析比較，利用數(shù)值模擬的方法來(lái)對(duì)海豚生物聲吶超聲波束形成的物理過(guò)程進(jìn)行研究。
　　第三，本文首次根據(jù)海豚定位信號(hào)特性以及頭部結(jié)構(gòu)的不同把海豚

8、分為兩種類(lèi)型豚類(lèi)（寬帶定位信號(hào)型豚類(lèi)和窄帶定位信號(hào)型豚類(lèi)），并分析和比較了兩種豚類(lèi)不同喙部結(jié)構(gòu)對(duì)其生物聲吶超聲波束形成的物理機(jī)理的影響。
　　第四，本文首次基于海豚聲源處振蕩發(fā)聲的物理機(jī)理，以大量相關(guān)的實(shí)測(cè)信號(hào)為參照，通過(guò)對(duì)聲源信號(hào)的調(diào)試和反復(fù)計(jì)算對(duì)不同類(lèi)型海豚聲源處的原始信號(hào)進(jìn)行還原。
　　第五，本文首次揭示了海豚頭部復(fù)雜的生物組織結(jié)構(gòu)在其生物聲吶超聲波束形成過(guò)程中所起到的具體作用，并比較了各個(gè)組織的相對(duì)作用。結(jié)果顯示，在