聲吶波束,即發(fā)射聲吶信號強(qiáng)度在方向和頻率上的函數(shù),由于其決定了在特定頻率和時間上,蝙蝠對周圍環(huán)境的感知,因此聲吶波束是蝙蝠聲吶系統(tǒng)的一個重要特征。基于有限元的數(shù)值分析方法已經(jīng)預(yù)測蝙蝠的聲吶波束具有復(fù)雜的幾何特征,如具有多個波峰和波谷。實(shí)驗(yàn)已經(jīng)表明,靜止?fàn)顟B(tài)下的普氏蹄蝠,在發(fā)射聲吶信號時會改變發(fā)射擋板(即“鼻葉”)的形狀,并通過鼻葉開口的大小來改變聲吶信號分布強(qiáng)度的變化。但是目前,對飛行狀態(tài)下普氏蹄蝠發(fā)射聲吶波束的研究還非常少,因此本文旨在探討飛行狀態(tài)下普氏蹄蝠發(fā)射聲吶波束是否也會受其鼻葉結(jié)構(gòu)的影響,從而具有復(fù)雜的幾何結(jié)構(gòu)和時變特性。本文基于實(shí)驗(yàn)的方法對飛行狀態(tài)下普氏蹄蝠聲吶波束的結(jié)構(gòu)復(fù)雜度和時變特性進(jìn)行了研究,這一研究不僅能夠促進(jìn)人們對普氏蹄蝠聲吶波束的進(jìn)一步了解,提高人們對于生物聲吶導(dǎo)航和定位的認(rèn)識,也為接下來將飛行狀態(tài)下的蝙蝠的鼻葉運(yùn)動和聲吶波束特性相結(jié)合,進(jìn)一步揭示蝙蝠聲吶系統(tǒng)的奧秘做鋪墊。同時,對蝙蝠聲吶系統(tǒng)內(nèi)部機(jī)理的探討能夠推動仿生學(xué)的發(fā)展,蝙蝠精巧的聲吶系統(tǒng)能夠?yàn)楝F(xiàn)代科技中的人工聲納、天線以及微型飛行器等提供新穎的解決方案和設(shè)計思路,進(jìn)而促進(jìn)科技的進(jìn)步和工業(yè)的發(fā)展。本文的主要研究內(nèi)容和成果如下:一、設(shè)計并搭建了一個研究飛行蝙蝠聲吶系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)平臺,平臺內(nèi)包括高頻麥克風(fēng)陣列、雙目相機(jī)系統(tǒng)以及能夠使蝙蝠自由飛行的消音通道。該實(shí)驗(yàn)平臺的設(shè)計與搭建不僅能夠?qū)崿F(xiàn)對飛行蝙蝠聲吶波束的研究,也有利于更多關(guān)于蝙蝠聲吶波束系統(tǒng)研究的開展。二、基于飛行蝙蝠聲吶系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺,收集了三只普氏蹄蝠的聲音數(shù)據(jù)和圖像數(shù)據(jù),并利用聲學(xué)信號處理、計算機(jī)視覺以及插值等方法重建出了普氏蹄蝠在飛行狀態(tài)下的聲吶波束。從重建的蝙蝠聲吶波束可以初步觀察到飛行狀態(tài)下普氏蹄蝠不僅能夠發(fā)射結(jié)構(gòu)簡單的聲吶波束,也能夠發(fā)射結(jié)構(gòu)復(fù)雜的聲吶波束,即波束中存在多個波峰和波谷。同時在時間維度上,波束結(jié)構(gòu)的變化也顯示了飛行普氏蹄蝠波束的時變特性。三、引入?yún)⒄瘴飳?shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了可靠性分析。為了確保實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可靠性,已知波束結(jié)構(gòu)簡單的揚(yáng)聲器被放置在蝙蝠發(fā)射脈沖信號的位置,讓其發(fā)射相同頻率和強(qiáng)度的恒頻信號,并利用與重建蝙蝠波束相同的方法重建揚(yáng)聲器的發(fā)射波束。通過兩類波束的對比可以發(fā)現(xiàn),蝙蝠聲吶波束具有比揚(yáng)聲器更加復(fù)雜的幾何結(jié)構(gòu),從而驗(yàn)證了初步觀察到的結(jié)果。從時間維度上分析,蝙蝠的聲吶波束具有比揚(yáng)聲器更明顯的變化,因此可以認(rèn)為,蝙蝠的聲吶波束也具有時變特性。最后,本文還利用線性判別分析方法、信息熵以及標(biāo)準(zhǔn)差對蝙蝠和揚(yáng)聲器的波束增益分布進(jìn)行了定量分析,線性判別分析結(jié)果顯示蝙蝠和揚(yáng)聲器的波束增益具有明顯的差異,信息熵分析結(jié)果表明蝙蝠波束比揚(yáng)聲器波束包含更多的信息量,標(biāo)準(zhǔn)差分析結(jié)果驗(yàn)證了蝙蝠既能夠發(fā)射結(jié)構(gòu)簡單的波束,也能夠發(fā)射結(jié)構(gòu)復(fù)雜的波束。
【學(xué)位單位】：山東大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：Q62
【部分圖文】：

對于不同種類的蝙蝠，無論是嘴部還是鼻孔發(fā)射聲音，他們都利用耳朵接收來自??周圍環(huán)境反射的回聲，同樣，為適應(yīng)不同的生態(tài)龕位，蝙蝠也進(jìn)化出了形態(tài)各異的耳??朵結(jié)構(gòu)，如圖１－２所示。從中可以看出，不同種類蝙蝠的外耳，不僅大小不同，形狀??差異也非常大。??由于蝙蝠鼻葉和耳朵結(jié)構(gòu)的特殊性，研宄人員對其作用在聲音發(fā)射和接收上的影??響進(jìn)行了諸多探討。Ｓｃｈｎｉｔｚｌｅｒ和Ｇｒｉｎｎｅｌｌ用凡士林將馬鐵菊頭ｆｅ?（Ｈｏｒｓｅｓｈｏｅ?ｂａｔ）的??鼻葉上部覆蓋住，發(fā)現(xiàn)馬鐵菊頭蝠發(fā)射的波束形狀發(fā)生改變＿。Ｄａｖｉｄ?Ｉ．?Ｈａｒｔｌｅｙ通過??實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)將Ｃａｒｏｌｌｉａｐｅｒｓｐｉｃｉｌｌａｔａ的頂葉翻折或者將一個鼻孔堵住，聲吶波束變化非常??明顯［３１】。莊橋和ＲｏｌｆＭｕｅｌｌｅｒ利用數(shù)值計算方法對魯氏菊頭幅（Ｒｈｉｎｏｌｏｐｈｕｓｒｏｕｘｉ）鼻??葉各結(jié)構(gòu)進(jìn)行了多種不同的組合，發(fā)現(xiàn)鼻葉的各個組成部分對近、遠(yuǎn)場波束都有較大??的影響［３２］，后來莊橋又利用數(shù)值計算方法對普氏蹄蝠聲吶波束進(jìn)行了研宄，認(rèn)為普氏??蹄蝠的鼻葉會改變發(fā)射聲吶波束［３３］。張智偉利用數(shù)值模擬分析方法發(fā)現(xiàn)，高鞍菊頭蝠??５??

２－２雙目相機(jī)設(shè)計??為了使相機(jī)能夠以更好的角度捕捉蝙蝠飛行的整個過程，將雙相機(jī)放置在麥克風(fēng)??陣列里面，如圖２－１所示，但是這樣會導(dǎo)致麥克風(fēng)陣列不在雙目相機(jī)的視野之內(nèi)，進(jìn)??而無法測量和計算波束方向角。因此，在實(shí)驗(yàn)之前，通道中會臨時放置一個自制坐標(biāo)??系，然后將蝙蝠飛行軌跡和麥克風(fēng)陣列三維坐標(biāo)都以自制坐標(biāo)系為基準(zhǔn)，便可以計算??１２??

利用同步鎖相原理，Ｉｌｉａｄ生成ＶＳＹＮＣ、ＨＳＹＮＣ等信號為兩個相機(jī)提供同步時鐘，從??而保證相機(jī)之間的同步。同時，通道頂端安裝了六臺功率為２０Ｗ的ＬＨ）冷光源，提??供充足的光線以減少運(yùn)動模糊現(xiàn)象，相機(jī)系統(tǒng)及部件如圖２－２所示。??圖２－２?（ａ）為ＭｅｗＰｒｏ?Ｉｌｉａｄ；?（ｂ）為ＭｅｗＰｒｏ；?（ｃ）為ＬＥＤ冷光燈；（ｄ）為ＭｅｗＰｒｏ?Ｉｌｉａｄ、ＭｅｗＰｒｏ??和相機(jī)連接示意圖。??雖然與高端相機(jī)相比，ＧｏＰｒｏ相機(jī)魚眼失真較為嚴(yán)重，但是相機(jī)鏡頭畸變矯正可??以減小魚眼失真，而且相機(jī)引起的蝙蝠軌跡重建的偏差對于最終重建波束的結(jié)構(gòu)特征??造成的影響非常小。同樣，一般的高端實(shí)驗(yàn)相機(jī)還可以提供外部觸發(fā)以便相機(jī)與其他??１３??
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本文編號：2865107