神奇的生物声呐天线：蝙蝠的鼻叶和耳朵

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　　蝙蝠是哺乳动物中真正具有飞翔能力的一个特殊类群。蝙蝠能主动发出声音(频率范围通常在25kHz至100kHz之间，有些信号可高至150kHz)并从反射回来的声音中提取信息以探测周围环境，这个过程称为回声定位(echolocation)，蝙蝠所利用的声呐称为生物声呐(biosonar)，以区别于国防、交通和工业上所使用的声呐系统。

　　并非所有的蝙蝠具有回声定位能力，小蝙蝠亚目的蝙蝠和大蝙蝠亚目中果蝠属的蝙蝠(10种)具有声呐系统，值得注意的是，这些蝙蝠仍然具有一定的视觉能力;大部分旧大陆果蝠没有声呐系统，但它们视觉较好，眼睛较大，主要依靠视觉来辨认物体，能不依赖声呐在弱光下飞行。

　　图1蝙蝠头部的照片。从蝙蝠的鼻叶或耳廓上可清晰地看到一些复杂的结构，如叶片、脊状物和沟槽结构

　　从蝙蝠头部的外形上看(如图1所示)，声呐信号发射和接收声音的地方都有一些复杂的结构，例如，虽然大多数蝙蝠耳朵外形的解剖学结构和普通哺乳动物的耳朵差不多，但蝙蝠的耳朵上通常有一些特别显著的结构，如叶片、脊状物和沟槽结构。

　　大多数的蝙蝠从嘴里发出声呐，但大约有300种蝙蝠却从鼻腔里发出声呐信号，这些蝙蝠鼻孔周围通常有特别精细而杂乱的褶皱，形象地被称为“鼻叶”。蝙蝠中两个最大的种群具有鼻叶结构，即新大陆叶口蝠科(Phyllostomidae)和旧大陆菊头蝠科(Rhinolophidae)的蝙蝠，除此之外，一些较小种群中的蝙蝠也具有鼻叶结构。

　　同耳朵一样，鼻叶上的复杂结构通常可区分成像叶片、脊状物和沟槽状结构这些明显不同的部分，但这些结构形状与耳朵上的通常不一样。由于鼻叶和耳朵的位置及其复杂的外形结构，人们对它们的作用产生了浓厚的兴趣。部分研究结果表明：鼻叶和耳朵可改变蝙蝠发出或接收声波的空间分布，影响声场的近、远场分布特性，有助于蝙蝠声呐波束的形成，提高蝙蝠声呐系的指向性和灵敏度。

　　蝙蝠声呐系统中声音发射和接收部分复杂的外形结构是蝙蝠在自然界中经过长期进化而形成的，正如人们通信所使用的天线一样，这些结构被称为生物声呐天线(biosonar antenna)，包括它们在内所形成系统的感知和通信能力可以使蝙蝠在无约束的自然环境中实现完整的自主性，完全满足它们各种各样探知环境和通信的任务。

　　蝙蝠通过改变超声发射器官(鼻叶)和接收反射回声器官(耳朵)的形状来连续调整波束的形成，这种声呐系统具有目前人工天线系统所不具备的优越性能。目前与蝙蝠鼻叶和耳朵结构功能方面的研究相关的主要有：

　　(1) 动物行为学方面。这方面目前主要是针对耳朵声学功能的研究。通过设定的人工环境来观察蝙蝠声呐系统外形结构经人为改变前后动物捕食行为和探测能力的对比，可得出外形结构的变化与其行为改变之间的相关性;

　　(2) 实验测量方面。通过测量蝙蝠自身发出的声场或人工声场，可得到发射声场的远场分布，如果改变头部某个结构，还可以得到声场改变与结构改变之间的对应关系;

　　(3) 数值研究方面。如图2，用数值方法对蝙蝠鼻叶结构声学功能的分析代表着目前研究的新方向，其优越性在于研究对象是通过数字方式表达出来的物理模型，所以应用数值方法可以非常容易和精确地控制其结构的改变;其次，应用数值方法，通过对声场的数值计算，我们可以得到其近场声场，并可方便地得到具有高角度分辨率的远场方向性。此外，数值方法有利于对计算结果的定量分析，可直观建立声场近远场之间的关系并论述其内在的物理机理。

　　图2 鲁氏菊头蝠(Rhinolophus rouxi)的鼻叶和中华菊头蝠(Rhinolophus sinicus)的耳朵三维可视化表示及相应的某一频率的远场波束

　　蝙蝠的生物声呐天线为我们提供了众多优化天线的解决方案，研究蝙蝠声呐系统的外形结构可以使我们从这些方案中得到启示，并将其应用于人工智能天线、无线通信、雷达及声呐系统中，以改进天人工天线的设计并提高天线系统的性能。

　　本文来源于声学科普网(zt.cast.org.cn)。