地球上,通过鼻孔发出声呐信号的蝙蝠大约有300多种,在这些蝙蝠鼻孔周围分布着复杂的组织结构,称之为鼻叶。在蝙蝠中,有两个较大种群具有鼻叶结构：旧大陆菊头蝠科蝙蝠(Rhinolophidae)和新大陆叶口蝠科蝙蝠(Phyllostomide)。由于不同种类蝙蝠的外耳和鼻叶外形结构极其复杂且各不相同,很多研究者对蝙蝠外耳和鼻叶进行了大量研究。研究表明外耳和鼻叶的外形结构具有改变蝙蝠声呐波束空间分布作用,但是鼻叶每一部分所起的声学功能并没有得到完全认证。迄今为止,很少有关于大马铁菊头蝠顶叶时变对声场波束分布影响的研究。本文综合应用两台高速摄相机以及双目视觉方法得到顶叶相应点的运动轨迹,并用超声探测仪同步记录蝙蝠这一时间段内使用的声呐脉冲,再利用高分辨率的X射线断层扫描技术扫描蝙蝠鼻叶和外耳组织,通过数字图像处理方法,三维可视化技术VTK得到可用于有限元方法计算的3D数字蝙蝠鼻叶和外耳模型,利用有限元数值计算方法得到不同模型的声场分布,深入分析了顶叶时变和横槽在顶叶时变中对蝙蝠所发超声的影响,并定量分析FM蝙蝠和CF-FM蝙蝠远场辐射波瓣,得到两种不同声呐信号蝙蝠的异同。所用到的理论知识涉及仿生学,计算声学,生物学,计算机图形学等多种学科,是一个跨学科研究课题。主要研究工作：1.应用两台每秒可拍摄500帧的高分比高速摄相机(GigaView; Southern Vision Systems, Madison, Alabama, USA)和一台超声探测器(Momimic, Dodotronic; Castel Gan-dolfo, Italy),通过NI (RIO platform, NI PXIe-1073; National Instruments, Austin, Texas, USA)的采集卡对鼻叶形变和形变过程中使用的脉冲信号进行同时记录。用双目视觉方法得到顶叶相应标记点的运动轨迹,将得到的顶叶形变轨迹与同一时间段内所用声呐脉冲对应,通过顶叶形变与声呐脉冲的时间对应关系来定量研究大马铁菊头蝠顶叶在蝙蝠使用超声过程中的时变行为。2.运用高分辨率微型CT机(Skyscan 1072; Bruker micro-CT, Kontich, Belgium)对大马铁菊头蝠的鼻叶和外耳样品进行X射线扫描,得到鼻叶和外耳的数字投影图像,再利用三维锥形光束重建算法得到鼻叶和外耳样品的横断面图像。通过高斯滤波和二值化处理这些具有256灰度级的图像,进而得到能够表示鼻叶和外耳组织与空气的二值化图像。所得到的图像转换成由立方体体素组成的鼻叶和外耳3D数字模型,此结构网格化后为下一步有限元数值模拟蝙蝠声场波束分布提供了样品的实际可处理模型。3.参照所得到的顶叶时变视频,在一个完整的形变过程中(顶叶起始状态到形变最大状态),选取时变过程中的4张清晰图片。将微型CT扫描以及图像处理后得到的3D数字样品模型,应用3Dmax软件,对照时变过程中的四张形变图片调整蝙蝠的顶叶,得到一个样品下,四个与真实顶叶形变一致的3D数字模型。利用有限元数值计算方法模拟四个3D数字模型的声场波束分布,进而分析顶叶时变对声场波束分布的影响。4.用体素填充顶叶横槽,然后重复3中的工作,相应鼻叶3D数值模型通过有限元方法得到的声场波束与横槽自然形变状态下顶叶形变的声场波束相比较,进而研究横槽在顶叶时变过程中的物理作用。5.用有限元数值计算方法得到4只变频蝙蝠远场辐射波束,4只恒频-变频蝙蝠外耳直立状态以及外耳和顶叶形变状态下的远场声呐辐射波束,通过对比两种使用不同声呐信号蝙蝠的远场声呐辐射波束,来定量分析他们之间的差异及共性。主要研究结果：1.在实验过程中,我们所观察过的20只大马铁菊头蝠,每只蝙蝠都出现过顶叶的形变。通过对153组声顶叶形变与声呐脉冲对应关系的实验分析发现,在蝙蝠使用声呐脉冲时,其中含有明显顶叶形变的声呐脉冲有27组,没有明显顶叶形变的声呐脉冲有123组,3组数据无法追踪顶叶形变(拍摄亮度差等原因造成)。实验数据表明大马铁菊头蝠顶叶发生形变时蝙蝠使用声呐脉冲信号,顶叶没有形变时也使用声呐信号,顶叶形变并不是发生在每次超声探测过程中,说明蝙蝠能够根据探测目标的需要自主控制顶叶运动,并非脉冲气流带动周围肌肉组织运动引起顶叶形变。用双目视觉方法得到27组顶叶明显形变数据中,顶叶运动的平均速度大约0.03m/s,与声波在空气中传播速度340m/s相差太远,因此顶叶形变速度对声波的多普勒频移低于蝙蝠多普勒频移补偿的分辨率,但顶叶形变的平均位移(0.91mm)是大马铁菊头蝠所使用频率中恒频部分对应波长(4.37mm)的1/5,形变位移对声场波束分布影响比较大。顶叶形变周期范围为40-80ms,形变频率低,顶叶形变不具备产生超声的功能。实验数据表明,接近60%的顶叶形变发生时刻早于蝙蝠使用脉冲的起始时刻,接近90%的顶叶形变最大位移发生在脉冲之中,95%的顶叶形变结束时刻晚于脉冲的结束时刻,即大多数声呐脉冲持续时间包含在顶叶形变持续时间之内。这说明大多数顶叶时变过程能够影响蝙蝠发出的整个声呐波束。2.利用有限元方法模拟大马铁菊头蝠顶叶四个形变状态的3D数字模型声场波束,对比不同形变状态下声场波束的空间分布发现,顶叶形变对声场波束空间分布特性产生了功能性影响。相同频率的不同弯曲状态下,主瓣在仰角方向的宽度相对于起始状态宽度变宽。起始状态下,鼻叶所发超声中含有一个明显主瓣,旁瓣非常弱。顶叶弯曲4度之后,低频下主瓣上会分离出波瓣,但波瓣始终与主瓣相连。顶叶弯曲8度和12度时,有些波瓣从主瓣上分离出来,随着频率升高,分离出的波瓣又和主瓣连接成一体。计算同一频率下-3dB轮廓线内起始状态与不同弯曲状态波瓣的重叠率,得到的数据结果表明随着顶叶弯曲,同一频率下,形变越大与自然状态主瓣的重叠率越低,说明顶叶形变越大,声波波束空间分布变化越大,这种特性有利于蝙蝠探测更多的空间范围。3.在顶叶形变过程中,除具有起始状态下声场波束分布中的一个主瓣外,能量较强的旁瓣随之出现,随着顶叶弯曲程度增大,旁瓣的增益随之增大,旁瓣在声场中的作用越来越大。通过对主瓣和旁瓣在相邻两个频率下的重叠率发现,主瓣的重叠率较高,旁瓣重叠率较低,有些旁瓣在相邻频率间有规律的出现,有些旁瓣在相邻频率间无规律的出现,即旁瓣能量分布相对多样化,有利于蝙蝠探测除主要目标物之外的空间信息。4.用体素填充横槽之后,不同顶叶形变状态的声场波束与横槽自然形变状态的声场波束在空间中的分布明显不同,主瓣和旁瓣在相邻两个频率下的重叠率发生了变化,特别是旁瓣的重叠率发生的变化较大,旁瓣的重叠率较自然形变状态下旁瓣的重叠率变大。旁瓣在相临频率间有规律的分布增多,既相邻频率的旁瓣在空间中的位置相对稳定,这种特性不易于探测除目标物之外的东西,即横槽在顶叶时变过程中对旁瓣分布具有较大的影响,有利于能量的合理分布。5.蝙蝠生活环境相对复杂,在自由飞行以及捕食食物过程中,需要其使用的声呐脉冲信号中主瓣和旁瓣区域在探测方向上随频率改变发生较大改变,通过定量分析变频蝙蝠以及恒频-变频蝙蝠远场声呐辐射波束发现,变频蝙蝠的声呐波束具有这种特点,而静止状态(外耳、鼻叶处于直立状态)下的恒频-变频蝙蝠不具备这种特点。静止状态下恒频-变频蝙蝠的远场声呐辐射波束中只含有一个主瓣,较弱的旁瓣,而且主瓣方向随频率的变化改变很小。当恒频-变频蝙蝠外耳或者鼻叶发生形变后对应的声呐辐射波束中,主瓣的方向以及明显旁瓣出现的位置随频率发生了较大改变,与变频蝙蝠的远场声呐波束相似,也就是说恒频-变频蝙蝠外耳或者顶叶形变对声呐波束的影响弥补了恒频-变频蝙蝠只有一个主瓣和较弱旁瓣的缺陷,增加了恒频-变频蝙蝠在捕食食物过程中的竞争优势。本文的研究结果表明蝙蝠可以通过顶叶和外耳时变重置波束特性来适应复杂的探测需求,此种生物机制也可以应用于机械系统方面,同比较简单的衍射波束形成方式相结合,产生更加灵活的动态声场波束。