摘要
齿鲸经过长期的自然选择，进化出高效的生物声呐系统。齿鲸生物声呐研究属于交叉学科，涉及声学、解剖学、生理学和信息学等学科，需要结合生物医学影像手段、声信号分析和数值计算等技术手段开展。探索齿鲸生物声呐能为仿生声呐、水下定位与通讯等领域提供参考。齿鲸生物声呐作为一个收发合置的回声定位系统，研究其工作原理能为人工物理系统设计提供参考。 本文利用计算机断层扫描技术(Computed Tomography)、超声测量、信号处理与有限元模拟，研究齿鲸回声定位系统的解剖结构、回声定位脉冲信号特性与声波发射、接收调控机理。 本文研究表明齿鲸生物声呐的优越性源于其回声定位系统中复杂的结构组成。齿鲸声呐前额的发射系统与下颌的接收系统均包含声速、密度与声阻抗各异的组织结构。发射系统的声学结构包括固体结构的上颌骨、气体结构的气囊与鼻道，以及具有流、固二相特性的额隆、肌肉与结缔组织。齿鲸有效地将声阻抗各异的声学结构通过一定几何排列在前额形成发射系统，有效地将其回声定位脉冲耦合到水中进行传播，形成能量聚焦的声波波束。齿鲸声接收系统同样由固体结构下颌骨与软组织结构组成传导声波至接收通道。齿鲸的回声定位系统遵循同样的工作原理。不同齿鲸的尺寸、形态以及发出的回声定位脉冲信号均存在差异性，会相应地影响声波波束与声传播过程。 齿鲸生物声呐是一个天然的声学超材料结构系统。发射系统的固体结构、气体结构和流、固二相软组织结构组成多相介质，调控声信号的传播与波束形成。改变多相介质的声速与形态可动态调控波束。齿鲸声接收系统中的固体结构与流、固二相特性的软组织结构会形成不同的声波接收通道，调控声波接收。齿鲸生物声呐系统在声波接收过程中存在着由下颌骨与下颌骨内部脂肪组成的新接收通道。这个接收通道起始于齿鲸生物下颌骨的前端，由固体结构将声波引导到下颌骨内部脂肪，并往后传播到听小骨中。该声波通道的发现加深了对齿鲸生物声呐接收通道多样性的了解。 本文研究结果表明参考齿鲸齿鲸声呐系统构建由不同声速与不同密度的声学材料组成的仿生物理系统能够有效调控声波，为后期设计高效的人工仿生系统提供了基础信息。齿鲸实现其生物声呐系统的功能依靠将不同声速、密度的声学结构在空间进行特定的几何排列，调控波束形成与声波接收。仿照该几何排列与声速、密度分布能形成有效的人工声收发物理系统。
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