齒鯨生物經(jīng)過長期自然選擇,進化出小巧、靈敏、高效的聲吶系統(tǒng).齒鯨生物聲吶研究涉及海洋物理、聲學、生物學、仿生學和信息學等學科,對于生物仿生、水聲聲吶、信號處理、水下探測與通信等領域具有參考價值.本文從聲吶系統(tǒng)解剖結構、聲吶信號與聲吶波束調控三方面出發(fā)介紹齒鯨聲吶發(fā)射系統(tǒng).首先,介紹如何利用計算機斷層掃描成像與超聲測量技術重建齒鯨聲吶發(fā)射系統(tǒng)的高精度三維結構,獲取其聲速、密度分布,為聲吶系統(tǒng)的功能研究建立基礎.隨后,探究聲吶系統(tǒng)發(fā)出的聲信號的特性,研究聲信號與生物行為之間的聯(lián)系.最后,參考齒鯨生物聲吶解剖結構與聲吶信號特性建立數(shù)值模型研究聲發(fā)射系統(tǒng)的氣質結構、軟組織結構和骨質結構組成的聲學多相介質對聲波傳播的控制作用.齒鯨生物能利用其聲吶信號的多樣性與聲吶發(fā)射系統(tǒng)結構的復雜特性動態(tài)調整聲波傳播與波束形成.探究齒鯨生物聲吶工作原理能加深對生物多相介質中的聲傳播過程的理解,有望為水下仿生聲探測與感知技術的發(fā)展提供新思路. 

【文章來源】：物理學報. 2020,69(15)北大核心EISCICSCD

【文章頁數(shù)】：12 頁

【部分圖文】：

東亞江豚頭部聲學結構的三維重建;(b)小抹香鯨頭部聲學結構的三維重建;(c)中華白海豚頭部聲學結構的三維重建結果;青色、棕色、紅色、黃色和灰色分別表示結締組織、額隆、聲源、氣囊與上頜骨

圖8(a)中心頻率為130 kHz的聲脈沖經(jīng)過鼠海豚無頭骨模型調控形成的聲波波束;(b)中心頻率為130 kHz的聲脈沖經(jīng)過鼠海豚完整模型調控形成的聲波波束[31]4.2 氣質結構在聲傳播與波束形成中的作用

齒鯨聲發(fā)射系統(tǒng)由物理特性各異的聲學結構組合形成.齒鯨生物聲吶系統(tǒng)位于頭部,發(fā)聲系統(tǒng)的各個結構位于前額.齒鯨生物之間雖大小尺寸各異,但發(fā)射系統(tǒng)結構組成相似[25].東亞江豚(narrow-ridged finless porpoise,Neophocaena sunameri)、小抹香鯨(pygmy sperm whale,Kogia breviceps)、以及中華白海豚(Indo-Pacific humpback dolphin,Sousa chinensis)的頭部三維重建(圖1)表明不同齒鯨生物的頭部形態(tài)各異.東亞江豚與小抹香鯨無明顯的喙部吻突,而中華白海豚的喙部吻突明顯.結構的差異性相應地會影響聲波波束.三種齒鯨聲發(fā)射系統(tǒng)的結構(圖2)表明骨質結構的密度高,能較完整地進行重建,而軟組織與氣道系統(tǒng)的重建與樣本狀態(tài)息息相關.脂肪組織、結締組織和肌肉組織的聲速、密度呈現(xiàn)梯度分布,形成由內(nèi)到外的層化結構.東亞江豚和中華白海豚的聲源結構尺寸較小,以中軸線為參考,位置大致呈現(xiàn)左右對稱,前、后各有一塊由脂肪塊組成的復合結構.小抹香鯨的額隆前側呈現(xiàn)出方形、鈍形.相對于東亞江豚與中華白海豚,小抹香鯨的鼻道結構呈現(xiàn)左、右不對稱[34-37].東亞江豚的左、右聲源相對于額隆末端呈對稱分布,聲源未與額隆后側銜接,而中華白海豚的右側聲源與額隆末端是銜接的.齒鯨生物雖遵循類似的氣動致聲原理,但具體的聲源位置、結構與尺寸存在一定的差別.

【參考文獻】：
期刊論文
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