蝙蝠声呐超声波束形成结构的数值研究

经长期进化的蝙蝠所形成的无线感应生物声呐系统，为我们提供了丰富的天线优化解决方案。蝙蝠通过超声发射器官（嘴或鼻叶）和接收器官（耳朵）的形状来形成具有方向性的波束。本项目的研究将首次获得高空间分辨率包括发射和接收结构在内的蝙蝠头部三维数字化模型，用数值方法全面系统地研究蝙蝠声呐系统（头部）的发射和接收特性以及波束形成结构的声学功能。结合已有的实验手段，创立一套新颖的实验方法，用于蝙蝠声呐的静态重构和功能分析，应用物理的有关理论并结合数值方法研究头部完整结构上有关部分对声场（近场与远场）的影响及影响程度的大小，以揭示隐含在蝙蝠发射与接收结构中内在的物理机理。项目的主要任务是选择和优化恰当的方法，通过微型CT重建技术和数字图像处理的有机结合来生成蝙蝠头部的高精密信息图像和相应的数值模型，以及融合两者的数值方法，来解决与本项目有关的研究问题。

本项目应用数值计算方法首次对埃及裂颜蝠、中华菊头蝠和普氏蹄蝠生物声呐结构进行了声学方面的研究，研究工作和成果如下：. 应用高分辨率X射线微型CT机对蝙蝠超声辐射波束形成结构样品进行了扫描，运用三维锥形光束重建算法得到了结构的断层图像，经过数字图像处理，形成结构的数字表达。这些结构经网格化后用于时域有限差分法的数值计算，我们不仅得到这些结构声场近场声压分布，而且得到了其远场辐射波瓣图。. 埃及裂颜蝠鼻叶结构的数值计算结果表明：埃及裂颜蝠鼻叶凹坑和下叶对近场声场、辐射波瓣图及相应的方向性均有较大影响，凹坑是一个声学双弯曲反射面，这个反射面通过对辐射波束一个平面的赋形作用和与其正交平面的聚焦作用提高波束的方向性，而且，在生物声呐信号的高频段辐射波束和蝙蝠声呐信号共同作用以获得较高的目标分辨率和较大角度的声场辐射；上叶的作用有限，主要影响凹坑内的声压幅度。. 中华菊头蝠耳廓在辐射声场中的声学作用的研究表明：耳廓具有较强的频率选择性，主要作用于声信号的低频，具有加强波瓣图方向性的作用。. 普氏蹄蝠鼻叶结构的数值计算结果表明：普氏蹄蝠鼻叶的三个组成部分(顶叶、中间叶和前叶)对声场近场和远场辐射波瓣图形状都有显著的影响，具有提高远场声场方向性的作用：顶叶和中间叶在仰角方向上聚焦波束，它们对波束水平方向的宽度没有明显的影响，但顶叶主要改变主波束上面旁瓣的强弱和数量，而中间叶主要影响主波束本身的聚焦，前叶对蝙蝠波束形成具有最大的作用，不仅在仰角方向而且在方位角方向上改变远场波束的聚焦。. 项目的研究结果揭示了蝙蝠声呐结构的声学功能，为人工天线工程设计的优化提供丰富的解决方案。以本项目为依托，共发表论文六篇，培养了博士后一名，正培养硕士生两名。