蝙蝠双耳结构变形及目标定位探测机制的研究

Many species of bats usually continuously deform their binaural shapes according to the state of motion of the target. This implies that the bat binaural deformation is closely related to the target position detection, however, most of the current studies are the numerical simulation or experimental measurement for the head or the external ear static structure and the monaural dynamic structure of the bats which have nothing to do with the target detection. In this project: (1) Combined with an already established unique experimental capability, we will build a dynamic binaural image acquisition system for the bat and a hoop sound field measurement system for the bat head model; (2) Bat head binaural deformation digital model can be generated by the high temporal and spatial resolution dynamic images and the static images from micro-computer tomography, and the corresponding three-dimensional physical models by applying rapid prototyping technology; (3) The acoustic properties of the bat head binaural structure models will be studied by numerical simulation and the experimental measurement; (4) The results of the numerical simulation and experimental measurement are analyzed by the related theory in physics. The main task of the project is to select and optimize suitable methods to study the relativity among the bat binaural deformation, the reception directivity and the state of motion of the target, and the underlying physical mechanisms will be made accessible to study between the bat dynamic deformation of the reception structure and the target position detection physical mechanisms to improve the structure design of artificial antenna systems and improve the target position detection performance of the antenna system.

许多种类的蝙蝠根据目标的运动状态通常连续改变其双耳外形，这暗示蝙蝠双耳结构变形与目标定位探测密切相关，但目前的研究多为与目标探测无关的蝙蝠头部或外耳静态结构以及单耳动态结构的数值仿真或测量实验。本项目将：(1) 结合已有的实验手段，搭建蝙蝠双耳动态图像采集系统和环形蝙蝠头部实物模型声场测量系统；(2) 由高时空分辨率动态影像和微型CT静态图像的有机结合获得蝙蝠头部双耳变形数字结构，应用快速成型技术得到相应的三维实物模型；(3) 结合数值仿真和实验测量研究蝙蝠头部双耳变形结构的声学特性；(4) 应用物理的有关理论分析数值仿真和实验测量结果。本项目的主要任务是选择和优化恰当的方法，通过研究蝙蝠双耳变形结构及其接收声场方向性与目标运动状态的对应关系，揭示隐含在蝙蝠双耳结构变形和目标定位探测之间的物理机制，以改进人工天线的结构设计并提高天线系统的定位探测性能。

本项目结合已有的实验手段，搭建了基于多轴云台的仿生蝙蝠声呐实验系统，实现了由高时空分辨率动态影像获得蝙蝠头部双耳变形的运动轨迹方法，应用快速成型技术得到蝙蝠头部的三维实物模型，并结合数值仿真和实验测量研究了蝙蝠头部双耳和鼻叶结构变形结构的声学特性，应用物理的有关理论分析数值仿真和实验测量结果。具体的研究工作和成果如下：.1. 使用高分辨率高速相机拍摄不同方向不同角度的棋盘格图片和蝙蝠接收声音信号时双耳运动的图片，其中棋盘格图片用于相机标定，蝙蝠双耳运动图用于提取蝙蝠耳廓上人工标记的二维点信息，结合相机标定结果和蝙蝠耳廓二维点信息得到蝙蝠双耳的运动轨迹。.2. 大足鼠耳蝠外耳对回波调控的实验性探究结果表明：蝙蝠在目标探测过程中通过不断地变换耳廓的形状和耳屏的空间指向，以便在回声最强的方向上收集信号。.3. 大足鼠耳蝠嘴巴张角辐射声场的数值计算结果表明：大足鼠耳蝠通过调节嘴巴开合的角度改变辐射波瓣图，以提高其在飞行和捕食过程中的定位能力。.4. 马来假吸血蝠耳廓的耳屏对频率有选择性的影响，在频率为50 kHz和 70kHz处，耳屏结构对近场声压分布的影响最大；对于远场接收方向性波瓣图，低频率和高频率时，耳屏的作用是拆分主瓣，中频时则合并旁瓣。.5. 埃及裂颜蝠鼻叶结构的数值计算结果表明：凹坑不仅可以对近场声场进行聚焦，它也会对远场声场的形成和远场辐射的方向性产生影响；上叶对凹坑附近和前方产生的声压幅度进行轻微的调节；下叶起到聚焦的作用；另外，三个部分的不同组合会对辐射波束的形成产生复杂的影响。.以本项目为依托，共发表论文四篇，培养青年科技骨干一名，培养研究生九名，其中已毕业四名。