马铁菊头蝠超声声纳系统中的耳朵形变研究

摘要

听觉系统的基本功能包括对周边环境中声源的发现、定位和识别。动物听觉系统对声音信息的编码方式(头部相关传递函数HRTF，Head-relatedTransferFunction)由头部和外耳形状决定。外耳对接收到的声音信号进行衍射，突出某些方向的信号，作为方向滤波器对声音信息的重要部分接收放大并进行编码。衍射过程和最后形成的波束方向图都由外耳决定，外耳的几何特性提供了波束特性对不同传感任务和约束条件的适应机制。
　　 因为动物的生存环境和生活方式的不同，外耳的几何特性具有明显的种间差异，这种差异反映了进化中的适应性。适应进化不仅表现在生理或结构上，还反应于行为适应中。动物听觉系统必须履行的多种功能反映到外耳波束特性方面，经常是截然不同性质的，甚至某些时候是相互矛盾的需求，单一的耳朵形状及其具有的波束特性并不能完全适用，而动物除了物种间外耳形状的适应性外，还有单一物种为达成多种不同功能而具有的行为适应。
　　 蝙蝠在世界范围内分布广泛，种类占据了约大于20％的哺乳动物种类数目，群体数目也很多。蝙蝠生活环境多样，食物种类丰富，占据了广泛的多种多样的感知生态学位置，也就面对着与主动和被动声纳相关的多种听力感知任务范围。不同种类蝙蝠的外耳形状各有不同，充分反映了进化中的形状适应性变化。之前的研究中，马铁菊头蝠和其它具有灵活可动耳朵的哺乳动物的耳朵运动被理解为静态波束方向的再定位。蝙蝠耳朵的运动可分为刚性运动和非刚性形变，刚性运动并不改变滤波方式和声场分布，但蝙蝠的非刚性运动一直没有与刚性运动区分，也没有进行专门研究。
　　 本文研究了大马铁菊头蝠行为中观测到的主动非刚性外耳形变行为，该行为可使外耳波束特性产生重要的功能性改变，进而为该蝙蝠超声波束特性提供了行为适应性的新方式。本文研究工作中使用的方法主要有:
　　 实验平台和实验方法，实验平台采用每秒可拍摄300帧高分比率的双高速相机观测记录菊头蝠的耳朵形变行为。蝙蝠由一个专门设计装有内衬的固定器固定，身体被固定但是头部可以自由活动。蝙蝠耳朵上使用可在X射线扫描下区分的染料均匀做标记点。
　　 双相机三维还原，三维动态形变耳朵的标记点，由双相机拍摄的耳朵形变照片中的标记点还原得来。实验中首先进行相机标定，得到左右相机内部参数和相机间位置关系，再对拍摄得到的图片中进行耳朵标记点的提取和左右相机得到照片中标记点的匹配;匹配完成后就可以根据标定得到的相机各参数还原出标记点的三维坐标。对形变过程中多帧照片中的形变图形进行标记点还原，就可得到整个形变过程中的三维标记点。
　　 静态蝙蝠耳朵三维模型重建，蝙蝠被处死后，取其耳朵使用微型CT扫描仪扫描得到X射线投影图;使用锥形光束重建算法重构耳朵的横截面图;经过数字化图像处理，得到蝙蝠静态外耳三维数字模型。
　　 动态形变耳朵数字耳朵模型，由完整静态耳朵三维模型和动态耳朵三维标记点拟合得到。研究中发展出的数字模型可以结合动态耳朵三维标记点将完整三维模型拟合为形变耳朵模型。
　　 有限元声场波束分布分析，采用有限元方法对形变过程中的动态形变耳朵模型进行有限元网格化，通过解赫姆霍兹方程得到声场近场的波束分布，通过基尔霍夫积分得到具有实际应用效应的声场远场波束分布。
　　 论文研究的主要结果有:
　　 大马铁菊头蝠普遍有耳朵形变行为，无论是在实验室生活的还是野外生活的蝙蝠都可以观测到这一行为。耳朵处于形变状态时，耳朵的尖部相对于头部会向下，向外和向后方弯曲，耳朵相对头部前边的一侧向远离头部的方向运动，而另一侧向靠近头部的方向运动，整个形变过程非常快速，由直立状态到形变状态再恢复到直立状态，可在200ms完成。蝙蝠形变幅度可达到4mm，是蝙蝠耳朵高度的～15％，与蝙蝠使用脉冲的最强谐波的波长(～4.3-5.7mm)大小类似。
　　 形变对耳朵的波束特性产生了功能性影响，形变耳朵除具有直立耳朵波束分布中的主瓣外，还产生了强度与形变度相关的旁瓣。直立耳朵形成的波束分布特性与静态耳朵模型形成的相类似，除具有一个明显最大值的主瓣外，其它方向的增益值都很小;随着形变的出现，波束分布中形成一个增益值随形变程度逐渐增加的旁瓣，其强度可增大至原值的五倍，在某些频率甚至超过主瓣。相比而言，主瓣的增益值在形变过程中改变较小。在形变周期的最后，耳朵从弯曲状态回到直立状态，波束也回到相对应的特性。
　　 形变产生的旁瓣位置受频率影响较大。研究中同时分析了形变耳朵主瓣和旁瓣位置随频率改变的特性，主瓣随频率的变化非常小，不同频率间旁瓣的重合度相对低很多。旁瓣随频率改变的方式也各不相同，有的方向规律改变，有的方向和形状改变都较复杂。
　　 本文的结果表明马铁菊头蝠个体具有额外的行为灵活性，可通过外耳形变动态重配置波束特性以适应不同探测需求。这种复杂的耳朵运动并不只局限于蝙蝠，波束特性行为适应性的新方式也同样适用于其它哺乳动物。类似的机制也可应用于机械系统，与简单的衍射波束形成方式想结合，形成更加灵活动态的波束特性。