菊头蝠外耳声场特性的研究

作     者：杜晓岳 

作者单位：山东建筑大学 

学位级别：硕士

导师姓名：陈莹

授予年度：2020年

学科分类：071011[理学-生物物理学] 0710[理学-生物学] 07[理学] 

主      题：菊头蝠 外耳 近场声压幅度 方向性波瓣图 完全匹配层 

摘      要：在蝙蝠的生物声呐系统中,蝙蝠的外耳用来接收声音信号,外耳上的结构（比如耳廓、对耳屏等）也会对声音的接收产生一定的影响。本论文对皮氏菊头蝠和中菊头蝠两种菊头蝠外耳结构进行重建,去除外耳上的耳廓结构,再将其进行对比,分析有无耳廓结构对声场特性的影响,以及同属于菊头蝠科的两种菊头蝠外耳的不同结构对声场特性的影响。研究工作和成果如下:对蝙蝠研究的历史、蝙蝠的声呐系统、蝙蝠声呐信号的特点以及蝙蝠目前的研究现状进行了阐述。通过分析菊头蝠的外形、生活习性以及饲养要求,结合目前的研究现状,确定了两种菊头蝠作为研究对象—皮氏菊头蝠和中菊头蝠。对于数值计算方面,介绍了模型的获取、计算方法以及计算结果的表示法。为了得到菊头蝠外耳的声场特性,使用断层扫描技术和数字图像处理方法重建了两种菊头蝠外耳结构的三维数字模型,并且在完整外耳的基础上,去掉耳廓结构,得到无耳廓结构的三维数字模型。根据互易原理,在耳道中放置发射声源的信号来获得外耳接收波束的特性。本文使用的是一个高斯点声源,应用时域有限差分法得到声场的近场声压幅度,并且根据基尔霍夫积分获得外耳远场方向性波瓣图,再由波瓣图得到方向性指数,对远场辐射的方向性可以更直观的表达出来。在使用FDTD进行计算时,对完全匹配层的吸收效果进行了计算,从中选出了吸收效果较好并且计算量不是很大的层数在本文计算中使用。将皮氏菊头蝠和中菊头蝠所得到的结果进行了对比,发现了两种菊头蝠耳廓结构对声场起到了汇聚的作用。在近场中,完整外耳结构的声压幅度明显比去除耳廓结构的声压幅度高,并且波束沿着耳廓结构向右上方传播,而去除了耳廓结构,波束向正上方传播。在远场方向性波瓣图中,完整外耳结构的主瓣比去除耳廓结构的主瓣细,较为细长的主瓣具有更高的指向性。通过方向性波瓣图得到的方向性指数,可以看出去除耳廓的外耳结构方向性明显较差,在不同频率下,完整外耳结构的方向性指数曲线与去除耳廓结构的方向性指数曲线大体一致,但是去除耳廓结构的方向性指数明显低于完整耳廓结构的方向性指数。整体来说,两种菊头蝠的耳廓结构对声场特性的影响相似,但是在不同频率下,耳廓结构对声场特性的影响有所不同,而且耳廓结构对两种菊头蝠的影响也是有区别的。