蝙蝠回声定位多普勒频移补偿性能研究

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发声运动控制的性能对声学通讯至关重要。然而,目前对发声控制性能的进化和生态驱动因素尚不清楚。仅在蝙蝠中发现的多普勒频移补偿行为(Doppler shift compensation,DSC)是研究发声控制机制和进化的理想模型。蝙蝠在飞行过程中主动降低发声频率补偿由飞行速度引起的多普勒频移效应(Doppler effect),将回声频率保持在其最敏感的听觉范围内,通过DSC将发声脉冲与回声区分开,更精准地完成定位与捕食。听觉-发声之间快速的反馈调节使进行DSC的蝙蝠具备非常精确的发声运动控制性能。发声脉冲与回声的重叠是蝙蝠进行DSC的先决条件,由于菊头蝠声波脉冲持续时间较蹄蝠长,菊头蝠在功能上更依赖DSC将脉冲-回声分离。然而,蹄蝠是否具备与菊头蝠一样精确的DSC性能仍存在争议。更依赖于DSC进行脉冲-回声分离的物种是否具备更精确的DSC性能?此外,复杂的环境需要蝙蝠具备一个较高的飞行机动性,同时增加了蝙蝠从背景噪音中区分回声的难度。环境复杂水平的增加可能会引起多普勒效应的改变。当多普勒频移的变化速度很快时,蝙蝠可能会与其同步,导致DSC误差的增加。环境复杂程度的改变是否会导致蝙蝠DSC性能的调整?目前,这些问题仍缺乏相关的研究。为了解决以上问题,本论文选择蹄蝠科的代表物种大蹄蝠(Hipposideros armiger),菊头蝠科的代表物种马铁菊头蝠(Rhinolophus ferrumequinum)为研究对象,利用高性能的蝙蝠行为追踪设备,分别同步记录了大蹄蝠和马铁菊头蝠依次飞过飞行廊道和窗口过程中的回声定位和飞行行为。在相同条件下比较两种蝙蝠DSC精确度、完整度、参考频率与静息频率的差值(偏移量)等参数,明确蹄蝠和菊头蝠的DSC性能。此外,在廊道的终点处设置3个不同大小的窗口模拟不同复杂程度的环境,分别研究了大蹄蝠、马铁菊头蝠飞过不同大小窗口过程的DSC性能,明确环境复杂性是否会影响蝙蝠DSC性能。主要实验结果如下:(1)相同条件下,大蹄蝠DSC精确度(0.165%)显著低于马铁菊头蝠精确度(0.113%);大蹄蝠与马铁菊头蝠均具备一个较高的DSC完整度;两个物种间参考频率与静息频率的差值之间不存在显著的差异。(2)随着窗口大小的减小,大蹄蝠通过窗口的成功率降低,飞行速度显著降低。DSC的精确度、完整度以及频率的偏移量并不随着窗口大小的变化发生显著变化。相反,随着窗口大小的减小,马铁菊头蝠通过窗口的成功率降低,但飞行速度却表现为先增加后降低。DSC的精确度、完整度以及频率的偏移量显著变化,但并不随着窗口大小的减小而产生相应的变化。综上,本研究表明,菊头蝠的DSC性能比蹄蝠更精确,因为它对通过DSC将脉冲-回声分离的要求高于蹄蝠。此外,蝙蝠DSC性能在不同复杂度的环境中没有发生显著的改变,马铁菊头蝠DSC性能的变化可能与体温等生理条件相关。因此,在进化过程中,与高性能发声控制相关的功能重要性可能是形成精确发声控制的关键。相反,发声动物遇到的生境的复杂程度可能未起到重要作用。
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