莊橋，陳曉乾，張美生

（山東建筑大學(xué)理學(xué)院，山東濟(jì)南250101）

埃及裂顏蝠超聲輻射波束形成結(jié)構(gòu)的數(shù)值研究

莊橋，陳曉乾，張美生

（山東建筑大學(xué)理學(xué)院，山東濟(jì)南250101）

智能天線是第三代移動通信系統(tǒng)中不可或缺的關(guān)鍵技術(shù)之一，埃及裂顏蝠超聲輻射波束形成結(jié)構(gòu)的研究可為智能天線的改進(jìn)提供理論依據(jù)。文章利用時域有限差分法（FDTD）和基爾霍夫積分等數(shù)值方法研究埃及裂顏蝠鼻葉組成部分（凹坑、上葉和下葉）對超聲輻射波束的影響。運(yùn)用掃描和圖像處理獲得鼻葉的三維數(shù)字模型，對其組成部分進(jìn)行剔除得到各種新的鼻葉模型，并對所有鼻葉模型進(jìn)行數(shù)值計(jì)算分析，獲得不同鼻葉結(jié)構(gòu)的近場聲壓幅度分布圖、遠(yuǎn)場輻射波瓣圖和方向性的相關(guān)性系數(shù)。結(jié)果表明：凹坑不僅可以對近場聲場進(jìn)行聚焦，也會對遠(yuǎn)場聲場的形成和遠(yuǎn)場輻射的方向性產(chǎn)生影響；上葉對凹坑附近和前方產(chǎn)生的聲壓幅度進(jìn)行輕微的調(diào)節(jié)，下葉起到聚焦的作用；凹坑、上葉和下葉3個部分的不同組合會對輻射波束的形成產(chǎn)生復(fù)雜的影響，而這3個部分全被剔除掉的鼻葉結(jié)構(gòu)對聲場的分布產(chǎn)生的影響最大，其相關(guān)性系數(shù)平均值低于0.85。

埃及裂顏蝠；鼻葉模型；超聲輻射波束；輻射波瓣圖

Key words：Egyptian slit-faced bat；noseleafmodel；emission beamforming；radiation pattern

0 引言

蝙蝠屬于翼手目動物，其種類大約有1116種，是哺乳動物中僅次于嚙齒目的第二大目，翼手目動物可分為大蝙蝠亞目（173種蝙蝠）和小蝙蝠亞目（943種蝙蝠）。蝙蝠不僅種類豐富，而且數(shù)量非常龐大，除寒冷的極地地區(qū)和偏遠(yuǎn)的小島之外，其在世界各地都有分布。小蝙蝠亞目中的所有蝙蝠和大蝙蝠亞目中果蝠屬的蝙蝠能夠利用聲吶進(jìn)行回聲定位（Echolocation）［1］，具有該功能的蝙蝠種類有953種，為了區(qū)別工業(yè)和國防中所使用的聲吶，將蝙蝠的聲吶系統(tǒng)稱為生物聲吶（Biosonar）。具有回聲定位功能的蝙蝠通常用喉部發(fā)聲，通過鼻孔或嘴發(fā)射聲信號，然后利用它們的大耳朵接收反射回來的聲波，通過大腦對聲信號進(jìn)行分析。根據(jù)回聲它們不僅能調(diào)整飛行方向，還能辨別不同的昆蟲或障礙物，進(jìn)行有效的回避或追捕，借助這一特點(diǎn)，蝙蝠能夠在完全黑暗的環(huán)境中完成飛行和捕食。

利用鼻孔發(fā)射超聲信號的蝙蝠，其鼻孔周圍通常具有復(fù)雜的褶皺結(jié)構(gòu)——鼻葉。鼻葉在作為分類學(xué)特征的同時，也對生物聲吶波束的形成具有決定性作用［1－5］。在模擬蝙蝠聽覺系統(tǒng)和信號發(fā)射系統(tǒng)的組合實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，鼻葉能夠聚焦能量，并且可以進(jìn)行選擇性的聲透射［6－7］。為了探究鼻葉不同組成部分對超聲輻射波束的影響，對埃及裂顏蝠的鼻葉結(jié)構(gòu)進(jìn)行掃描，建立原始三維數(shù)字模型結(jié)構(gòu)，并以單獨(dú)和組合的形式剔除鼻葉的組成部分，利用數(shù)值模擬方法計(jì)算不同鼻葉結(jié)構(gòu)的聲場，通過對比不同鼻葉結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的近場聲壓幅度圖和遠(yuǎn)場輻射波瓣圖，研究埃及裂顏蝠鼻葉的各個組成部分在輻射波束形成過程中的作用。

1 埃及裂顏蝠

埃及裂顏蝠（Egyptian slit-faced bats，Nycteris thebaica）屬于小蝙蝠亞目中的夜凹臉蝠科（Nycteridae），以臉中有一對裂縫而得名。除鼻葉特征明顯外，埃及裂顏蝠具有大耳朵、小耳屏，兩耳在基部相連，其尾巴的末端有一個T字形的尾骨與尾膜相連。裂顏蝠食性雜，主要以無脊椎動物為主，尤其喜歡捕食蝎子，其棲息地點(diǎn)主要是山洞、樹洞以及被遺棄的礦洞。埃及裂顏蝠在低于其聲吶信號頻率時，具有很強(qiáng)烈的接收方向性，而當(dāng)蝙蝠使用自身的回聲定位系統(tǒng)時，其接收方向性較低。由于埃及裂顏蝠經(jīng)常盤旋在接近地面的低空或者樹頂，其利用低強(qiáng)度寬帶信號不僅能夠克服由較短延時所引起的發(fā)射波和反射波產(chǎn)生的疊加影響，還可以通過減少背景回聲的方式得到較高的目標(biāo)分辨率。

埃及裂顏蝠的鼻葉結(jié)構(gòu)（高度為12.3 mm）如圖1所示，埃及裂顏蝠的鼻葉主要由3個部分組成：①凹坑（Pit）；②上葉（Upper leaf）；③下葉（Lower leaf）。凹坑是一個體積較大的深坑，位于鼻葉結(jié)構(gòu)的頂部。凹坑與正下方的一條凹槽相連，該凹槽一直向下延伸到鼻孔，稱之為裂縫（Slit）。上葉和下葉分布在裂縫的兩邊，其實(shí)質(zhì)是一些突出的肉質(zhì)組織。上葉是比較對稱兩部分，形狀面積不大，而下葉則是完整的一部分，形狀為“U”型，面積較大。數(shù)值研究表明，凹坑的作用相當(dāng)于雙重彎曲的聲學(xué)反射器［8］。埃及裂顏蝠利用鼻葉能夠形成含有復(fù)雜的多重諧波組合而成的調(diào)頻（FM）生物聲吶信號［9］。

圖1 埃及裂顏蝠的鼻葉結(jié)構(gòu)圖

2 數(shù)值研究方法

對于實(shí)際研究的聲場問題，可以利用實(shí)驗(yàn)和理論分析計(jì)算相結(jié)合的研究方法。但是實(shí)際研究的聲場問題往往較為復(fù)雜，而且通過實(shí)驗(yàn)獲得聲場數(shù)據(jù)的實(shí)現(xiàn)過程較復(fù)雜，結(jié)果也存在一定的誤差和隨機(jī)性，所以利用數(shù)值解得到聲場傳播計(jì)算結(jié)果不失為一種方便且精確的研究方法。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，聲場研究中所使用的數(shù)值方法從20世紀(jì)50年代開始也得到了相應(yīng)的發(fā)展。由于埃及裂顏蝠的超聲輻射波束從近場傳播到遠(yuǎn)場，因此傳播聲場的數(shù)值計(jì)算包括近場聲場計(jì)算和遠(yuǎn)場聲場計(jì)算。在研究過程中，利用時域有限差分法計(jì)算近場聲場，而利用基爾霍夫積分得到遠(yuǎn)場聲場的數(shù)值解。

2.1 時域有限差分法

1966年，Yee首次提出時域有限差分法FDTD（Finite different time domain method）［10］，并將該方法用于電磁場數(shù)值計(jì)算，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展，自20世紀(jì)80年代以來，時域有限差分法已經(jīng)在電磁學(xué)和聲學(xué)等領(lǐng)域得到廣泛地發(fā)展［10－12］。FDTD方法之所以可以得到較為精確的計(jì)算結(jié)果，是因?yàn)檫@種方法在直接離散化處理波動方程的同時減少了不必要的假設(shè)。此外，F(xiàn)DTD方法還可以處理形狀復(fù)雜、多種材料復(fù)合的結(jié)構(gòu)，幾乎可以對各種形狀、各種材料的聲學(xué)介質(zhì)進(jìn)行計(jì)算。FDTD方法通過計(jì)算聲波在介質(zhì)中的傳播可以直觀地給出聲場隨時間推進(jìn)的演化過程，在計(jì)算機(jī)上以偽彩色方式顯示，這種聲場可視化結(jié)果清楚地顯示了物理過程，便于對研究結(jié)構(gòu)的聲學(xué)功能的分析。另外，F(xiàn)DTD方法還可以配合傅里葉變換，通過一次計(jì)算可以得到在很寬頻域內(nèi)的計(jì)算結(jié)果，便于研究系統(tǒng)的頻率特性。

FDTD計(jì)算區(qū)域如圖2所示，在計(jì)算近場聲場時，時域有限差分法需要將計(jì)算區(qū)域分為內(nèi)部的常規(guī)計(jì)算區(qū)域和作為吸收邊界條件的完全匹配層PML（Perfectlymatched layer）。內(nèi)部區(qū)域是一個長方體，埃及裂顏蝠的鼻葉結(jié)構(gòu)被包含在這個長方體空間內(nèi)。完全匹配層區(qū)域滿足吸收邊界條件，具體來說，完全匹配層合理的參數(shù)設(shè)置可以保證在計(jì)算區(qū)域內(nèi)，聲波在內(nèi)部常規(guī)區(qū)域與完全匹配層的界面上不會引起明顯的反射。因?yàn)橛?jì)算機(jī)的計(jì)算能力有限，過大的計(jì)算空間將占據(jù)計(jì)算機(jī)大量的內(nèi)存并消耗大量的時間，因此需要設(shè)置完全匹配層，從而形成截斷邊界。截斷邊界的設(shè)置是一種吸收邊界條件，吸收邊界條件由最初簡單的插值邊界到Mur吸收邊界發(fā)展到完全匹配層吸收邊界，吸收效果逐漸變好，完全匹配層是由Berenger于1994年提出并應(yīng)用于電磁場的數(shù)值分析［11］，隨后科研人員又將這種方法引入到聲場計(jì)算［13］。

圖2 FDTD計(jì)算區(qū)域圖

在對埃及裂顏蝠的鼻葉結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算之前，計(jì)算區(qū)域需要網(wǎng)格化處理。網(wǎng)格由有限差分的立方體單元網(wǎng)格組成，立方體單元的頂點(diǎn)就是有限差分的節(jié)點(diǎn)，立方體體素的邊長等于有限差分的節(jié)點(diǎn)間距。有限差分網(wǎng)格元胞如圖3所示，圖中p、ux、uy、uz表示物理量的位置，i、j、k分別表示x、y、z方向上的空間位置。

圖3 Yee聲學(xué)網(wǎng)格元胞圖

利用時域有限差分法對近場聲場計(jì)算的時候，三維數(shù)字結(jié)構(gòu)需要添加激勵源。對于埃及裂顏蝠鼻葉結(jié)構(gòu)來講，在兩個鼻孔的出口表面添加兩個完全相同的高斯脈沖點(diǎn)源［14］，頻率范圍61～97 kHz，頻率間隔為0.5 kHz。在進(jìn)行數(shù)值計(jì)算時，聲源隨時間的變化由式（1）表示為

式中：p為瞬時聲壓，kg／m2；t0是時間偏移值，s，其作用是使脈沖激勵在起始時刻具有較小的值和平滑的上升曲線；τ為高斯脈沖寬度，s，它是由計(jì)算時的聲信號的最高頻率fmax決定，fmax的數(shù)值是100 kHz；τ的表達(dá)式由式（2）表示為

聲波在介質(zhì)內(nèi)傳播時，滿足的連續(xù)性方程和歐拉方程分別由式（3）和（4）表示為

埃及裂顏蝠鼻葉結(jié)構(gòu)的三維數(shù)字模型與長方體計(jì)算空間表面之間的介質(zhì)是空氣，因此三維數(shù)字結(jié)構(gòu)的表面對于超聲波來說是硬邊界。所以，聲波會在鼻葉結(jié)構(gòu)和空氣之間產(chǎn)生全反射，此現(xiàn)象的邊界條件由式（6）表示為

由于計(jì)算空間是一個長方體，在三維直角坐標(biāo)系中，整個計(jì)算空間（包括內(nèi)部的常規(guī)區(qū)域和PML）是由Yee氏網(wǎng)格元胞組成，這些元胞的邊長與三維數(shù)字結(jié)構(gòu)的立方體體素邊長相同，根據(jù)Yee提出的差分計(jì)算方法，首先在空間建立矩形差分網(wǎng)格。

在FDTD計(jì)算中，確保該算法有意義的前提是保證離散差分方程組的解是收斂和穩(wěn)定的。收斂性是指當(dāng)空間離散間隔趨于零時，在任意時刻差分方程組的解在空間任一點(diǎn)都趨于原方程組的解，穩(wěn)定性是指采用的離散間隔能保證差分方程組的數(shù)值解與原方程的嚴(yán)格解之間的差為有界。如果不能保證數(shù)值解的收斂和穩(wěn)定，那么這種不穩(wěn)定性會隨著時間步的推移而增加。在三維計(jì)算空間下，計(jì)算時所需的時間步長應(yīng)滿足的Courant穩(wěn)定條件［15］由式（7）表示為

采用式（7）的穩(wěn)定性條件可以保證時間步長計(jì)算的穩(wěn)定性。由于計(jì)算采用的Yee元胞為立方體，長度Δx＝Δy＝Δz＝Δh＝90μm，所以Courant穩(wěn)定條件由式（8）表示為

2.2 基爾霍夫積分

利用傅里葉變換，將近場FDTD有限區(qū)域的瞬時聲壓變換成復(fù)聲壓振幅［13］，利用基爾霍夫積分對有限區(qū)域外的任一點(diǎn)r→處聲壓的振幅P（r→）進(jìn)行計(jì)算。基爾霍夫積分公式由式（9）表示為

根據(jù)基爾霍夫積分公式，可以得到球面點(diǎn)代表的聲場遠(yuǎn)場的數(shù)值解。這個球面上的取值點(diǎn)在方位角方向（θ）和仰角方向（φ）的間隔均為1°。將這些點(diǎn)的幅值進(jìn)行歸一化，也就是所有方向上（θ，φ）的幅值除以幅值的最大值，歸一化后的幅值D（θ，φ，f）為實(shí)數(shù)且0≤D（θ，φ，f）≤1，對于給定的聲音頻率f均能求出對應(yīng)的遠(yuǎn)場數(shù)值解。

遠(yuǎn)場聲波振幅的三維等值面圖形象地展現(xiàn)了不同頻率下的不同鼻葉模型的輻射波瓣圖。在球坐標(biāo)系中，遠(yuǎn)場聲壓幅度公式由式（10）表示為

式中：D表示方向性；r表示球半徑，m；遠(yuǎn)場聲壓幅度可以看作是D和的乘積［16］。對于方程中給定的遠(yuǎn)場幅度的表面，聲源到等幅度面的球半徑r與該方向的方向性D成正比。對于不同鼻葉結(jié)構(gòu)形成的輻射波瓣圖，它們形狀之間的相似性可以用歸一化的相關(guān)系數(shù)ρ1，2（f）表示。ρ1，2（f）由式（11）表示為

3 數(shù)值模型的建立

3.1 樣本的獲取

根據(jù)蝙蝠的習(xí)性特點(diǎn)選擇捕捉方法，例如在湖邊搭建霧網(wǎng)，在樹林里搭建陷阱，或者在山洞內(nèi)用手抄網(wǎng)捕捉蝙蝠。蝙蝠通常有冬眠的習(xí)慣，其冬眠會選擇在洞穴當(dāng)中，因此捕捉冬眠狀態(tài)的蝙蝠較為容易。根據(jù)埃及裂顏蝠的特征確定樣本種類后，將其放進(jìn)專門的收納袋中，記錄捕獲蝙蝠的時間及地點(diǎn)，并帶回實(shí)驗(yàn)室做進(jìn)一步測量，包括稱重、測量翼展和前肢等。另外，需要對各個蝙蝠樣本進(jìn)行拍照存檔，尤其是聲吶器官，以便與后期的CT掃描圖像進(jìn)行參照對比。在錄制蝙蝠聲吶信號的過程中，為了記錄下不同蝙蝠在飛行狀態(tài)和靜止?fàn)顟B(tài)下的超聲信號，需要利用超聲波探測器在無噪聲的情況下多次錄制并保存。所有測量記錄工作結(jié)束后，將掃描用到的蝙蝠樣本浸泡在酒精溶液中，以便在掃描工作中作進(jìn)一步處理，其它多余的蝙蝠樣本可以放歸自然，或者飼養(yǎng)在專門的實(shí)驗(yàn)室內(nèi)。

3.2 模型的建立

首先利用微型X射線斷層掃描儀對埃及裂顏蝠的鼻葉結(jié)構(gòu)進(jìn)行掃描，利用三維錐形光束重建算法對投影圖進(jìn)行處理，得到相應(yīng)地一組斷層圖像。但這些斷層圖像中含毛刺和噪聲，不能直接生成用于聲場計(jì)算的三維數(shù)字結(jié)構(gòu)，因此需要對斷層圖像進(jìn)行高斯平滑和二值化處理［4，8］。高斯平滑是利用高斯濾波器消除斷層圖中的毛刺和噪聲，得到灰度變化平緩的圖像。二值化處理則是選擇一個合適的閾值將圖像處理成只包含兩種灰度等級（黑色和白色）的二值化圖像，其中黑色表示埃及裂顏蝠的鼻葉結(jié)構(gòu)，白色表示周圍空氣。最終利用VTK（可視化工具包）對二值化圖像進(jìn)行三維重構(gòu)，得到了由立方體體素（邊長90μm）構(gòu)成的埃及裂顏蝠的鼻葉結(jié)構(gòu)的三維數(shù)字模型。

通過刪減體素的方式對鼻葉各部分進(jìn)行剔除，以單獨(dú)剔除或組合剔除的方式得到新的鼻葉結(jié)構(gòu)。每個模型都由3個大寫字母表示，每一個字母分別代表鼻葉結(jié)構(gòu)的一個部分，“P”代表凹坑（Pit）、“U”代表上葉（Upper leaf）、“L”則代表下葉（Lower leaf），加括號的字母表示被剔除的部分，例如“PU（L）”表示的是保留凹坑和上葉而去掉下葉的鼻葉結(jié)構(gòu)，以此類推。

利用計(jì)算機(jī)對各個鼻葉模型進(jìn)行模擬計(jì)算，通過與完整鼻葉結(jié)構(gòu)形成的近場聲壓幅度和遠(yuǎn)場輻射波瓣圖進(jìn)行對比，研究埃及裂顏蝠鼻葉結(jié)構(gòu)的3個部分（凹坑、上葉和下葉）對輻射聲場的影響。

4 數(shù)值計(jì)算結(jié)果分析

4.1 近場聲壓幅度

對于完整的埃及裂顏蝠鼻葉結(jié)構(gòu)PUL，其近場聲壓振幅較大的區(qū)域主要位于鼻孔前方，聲波在凹坑的前方區(qū)域會明顯地發(fā)生反射現(xiàn)象，該區(qū)域的聲壓幅度也比較大。對于去掉凹坑的鼻葉結(jié)構(gòu)（P）UL，該模型鼻葉前方的聲壓幅度明顯減小，原凹坑結(jié)構(gòu)前方的區(qū)域沒有聲波反射現(xiàn)象，而鼻葉前方周圍區(qū)域的聲壓幅度變化不大。與完整的鼻葉結(jié)構(gòu)相比較，去掉上葉結(jié)構(gòu)的模型P（U）L的凹坑附近的聲壓幅度有所增強(qiáng)，而凹坑前方的聲壓幅度則有輕微得下降。對于去掉下葉的鼻葉結(jié)構(gòu)PU（L），其近場聲壓幅度的分布在整體上有明顯得下降。埃及裂顏蝠不同鼻葉結(jié)構(gòu)的近場聲壓振幅分布如圖4所示。

圖4 埃及裂顏蝠不同鼻葉結(jié)構(gòu)的近場聲壓振幅分布圖

4.2 遠(yuǎn)場輻射波瓣圖

對于實(shí)驗(yàn)中所給定的頻率范圍，完整鼻葉結(jié)構(gòu)的輻射波瓣圖中都含有一個明顯的主波瓣，當(dāng)頻率發(fā)生改變時，主瓣會分裂成副瓣，同時旁瓣的數(shù)量也會改變。埃及裂顏蝠不同鼻葉結(jié)構(gòu)的遠(yuǎn)場輻射波瓣圖如圖5所示。

圖5中，當(dāng)信號頻率大于65 kHz時，波瓣的方向性有所增強(qiáng)，原始的主瓣會分裂成兩個副瓣，周圍的旁瓣數(shù)量也會增加。與完整鼻葉結(jié)構(gòu)相比較，剔除凹坑的鼻葉結(jié)構(gòu)（P）UL始終只有一個主波瓣，并且主瓣波束范圍變大，隨著頻率的增加，主瓣方向向上偏移，旁瓣數(shù)量增加。無上葉結(jié)構(gòu)P（U）L的變化趨勢與完整鼻葉結(jié)構(gòu)相類似，主瓣變化不大，只是旁瓣的幅度有所減小。無下葉結(jié)構(gòu)PU（L）在頻率低于80 kHz時的變化與完整結(jié)構(gòu)類似，在頻率高于80 kHz時，幅度較大的副瓣方向向上，旁瓣的幅度比較均勻。

圖5 埃及裂顏蝠不同鼻葉結(jié)構(gòu)的遠(yuǎn)場輻射波瓣圖

對于同時剔除掉凹坑和上葉結(jié)構(gòu)（P）（U）L，其主瓣范圍隨著頻率的增加而增大。同時去掉凹坑和下葉的結(jié)構(gòu)（P）U（L）的變化和只去掉凹坑的結(jié)構(gòu)（P）UL的變化相類似，但是（P）U（L）結(jié)構(gòu)的旁瓣幅度相對較小。而剔除上葉和下葉的結(jié)構(gòu)P（U）（L）的變化趨勢和只去掉下葉的結(jié)構(gòu)PU（L）相似。當(dāng)把三個部分全部剔除掉時，得到的（P）（U）（L）結(jié)構(gòu)的輻射波瓣圖有且僅有一個主瓣，與完整結(jié)構(gòu)相比，主瓣波束范圍變大，旁瓣的數(shù)量減少并且幅值降低。

從圖5中可以看出，對于剔除掉不同結(jié)構(gòu)的鼻葉，其輻射波瓣圖有明顯的差異。剔除凹坑使得主瓣不能分裂成兩個副瓣，影響主瓣的波束寬度，同時也會影響旁瓣形成。而單獨(dú)或同時除去上葉和下葉不僅會影響主瓣的指向性，也會影響旁瓣的寬度和指向性。同時剔除凹坑和上葉的結(jié)構(gòu)對輻射波瓣圖的影響比單獨(dú)剔除掉兩者中任一部分所產(chǎn)生的影響更明顯，其輻射波瓣圖中的主瓣在變大的同時旁瓣會變小。同時剔除三部分的結(jié)構(gòu)只是隨著頻率的增加主瓣波束寬度變小，但主瓣波束寬度普遍比完整結(jié)構(gòu)的寬。

4.3 輻射波瓣圖的相關(guān)性系數(shù)

為了明確鼻葉的不同結(jié)構(gòu)對輻射波瓣圖的影響，利用歸一化相關(guān)性系數(shù)對完整鼻葉結(jié)構(gòu)和不完整鼻葉結(jié)構(gòu)的輻射波瓣圖的指向性進(jìn)行了對比，如圖6所示。去掉凹坑的鼻葉結(jié)構(gòu)（P）UL的相關(guān)性系數(shù)在低于75 kHz時，隨著頻率的升高而降低，在高于75 kHz時，隨著頻率的升高而增加，即在75 kHz時，該結(jié)構(gòu)的相關(guān)性系數(shù)最小，對遠(yuǎn)場聲場的影響最大。無上葉的鼻葉結(jié)構(gòu)P（U）L的相關(guān)性系數(shù)幾乎接近1，并且隨頻率變化不大，即無上葉的鼻葉結(jié)構(gòu)對遠(yuǎn)場聲場的影響最小。對于去掉下葉的鼻葉結(jié)構(gòu)PU（L），其波瓣圖的相關(guān)性系數(shù)會隨著頻率的變化而不同，在實(shí)驗(yàn)所給定的頻率范圍內(nèi)，60 kHz時的相關(guān)性系數(shù)最大，95 kHz時的相關(guān)性系數(shù)最小，相關(guān)性系數(shù)的大體變化趨勢是隨著頻率的增加而減小。去掉凹坑和上葉的結(jié)構(gòu)（P）（U）L的相關(guān)性系數(shù)與只去掉凹坑的結(jié)構(gòu)（P）UL的相類似，而去掉凹坑和下頁的結(jié)構(gòu)（P）UL、去掉上葉和下葉的結(jié)構(gòu)P（U）（L）和三部分同時被去掉的結(jié)構(gòu)（P）（U）（L）的相關(guān)性系數(shù)與PU（L）結(jié)構(gòu)的相似，大體趨勢都是隨著頻率的增加而減小，但整體的相關(guān)性系數(shù)會明顯降低。

圖6 各鼻葉結(jié)構(gòu)的輻射波瓣圖的相關(guān)性系數(shù)圖

5 結(jié)論

通過上述研究表明：

（1）凹坑通過向前反射聲波對近場聲場進(jìn)行聚焦，從而影響遠(yuǎn)場輻射的方向性。在相關(guān)性系數(shù)圖中，無凹坑結(jié)構(gòu)在75 kHz時的相關(guān)性系數(shù)最低，表現(xiàn)出明顯的頻率選擇性，說明凹坑結(jié)構(gòu)可以提高蝙蝠在某個頻率段的探測能力。

（2）上葉主要調(diào)節(jié)凹坑周圍的聲壓幅度和主瓣、旁瓣的相對幅度，無上葉結(jié)構(gòu)P（U）L的相關(guān)性系數(shù)接近1，說明上葉對聲場的影響作用不明顯。下葉則對近場聲場的幅度和遠(yuǎn)場的主瓣波束聚焦起重要作用。

（3）同時去掉多個部分的鼻葉結(jié)構(gòu)對聲場的影響作用更為明顯且復(fù)雜，比如去掉凹坑和上葉的結(jié)構(gòu)（P）（U）L比單獨(dú)去掉兩部分的結(jié)構(gòu)對聲場方向性的影響明顯，結(jié)果會造成主瓣變大而旁瓣變小，并且去掉兩個部分的模型的相關(guān)性系數(shù)大都小于0.9。而三個部分全被剔除掉的鼻葉結(jié)構(gòu)（P）（U）（L）對聲場的分布產(chǎn)生的影響最大，其相關(guān)性系數(shù)平均值低于0.85。

埃及裂顏蝠在發(fā)射超聲波的過程中，鼻葉結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生反復(fù)張合的現(xiàn)象。因此，埃及裂顏蝠鼻葉對輻射波束形成的影響作用可能與此現(xiàn)象存在聯(lián)系，即埃及裂顏蝠通過調(diào)節(jié)鼻葉結(jié)構(gòu)的形狀來影響輻射聲場的形成，從而對不同的生存環(huán)境進(jìn)行探測。

［1］ Zhuang Q.，Müller R..Noseleaf furrows in a horseshoe bat act as resonance cavities shaping the biosonar beam［J］.Physical Review Letter，2006，97：21870101－21870104.

［2］ Feng L.，Gao L.，Lu H.W.，et al..Noseleaf dynamics during pulse emission in horseshoe bat［J］.PLOSONE，2012，7（5）：1－6.

［3］ He W.K.，Pedersen S.C.，Gupta A.K.，et al..Lancet dynamics in greater horseshoe bats，Rhinolophus ferrumequinum［J］.PLOSONE，2015，10（4）：1－13.

［4］ Kobayasi K.I.，Hiryu S.，Shimozawa R.，etal..Vocalization of echolocation-like pulses for interindividual interaction in horseshoe bats（Rhinolophus ferrumequinum）［J］.Journal of the Acoustic Society of America，2012，132（5）：417－422.

［5］ Gupta A.K.，Müller R..Effects of the source location on numerical biosonar beampattern predictions for bat noseleaves［C］.Montreal：Proceedings of Meetings on Acoustics，2013.

［6］ Matsuta N.，Hiryu S.，F(xiàn)ujioka E.，et al..Adaptive beamwidth control of echolocation sounds by cf－fm bats，Rhinolophus ferrumequinum nippon，during prey-capture flight［J］.Journal of Experimental Biology，2013，216：1210－1218.

［7］ Mantani S.，Hiryu S.，F(xiàn)ujioka E.，et al..Echolocation behavior of the Japanese horseshoe bat in pursuit of fluttering prey［J］.Journal of Comparative Physiology A，2012，198（10）：741－751.

［8］ Zhuang Q.，Wang X.M.，LiM.X.，et al..Noseleaf pit in Egyptian slit-faced bat as adoubly curved reflector［J］.Europhys Letter，2012，97（4）：4400101－4400106.

［9］ Gray P.A.，F(xiàn)enton M.B.，Cakenberghe V.V..Nycteris thebaica［J］.Mammalian Species，1999，612：1－8.

［10］Yee K.S..Numerical solution of initial boundary value problems involving Maxwell equations in isotropic media［J］.IEEE Transaction on Antennas and Propagation，1966，14（3）：302－307.

［11］Berenger J.P..A perfectly matched layer for the absorption of electromagnetic waves［J］.Journal of Computational Physics，1994，114：185－200.

［12］李太寶.計(jì)算聲學(xué)［M］.北京：科學(xué)出版社，2005.

［13］Sullivan D.M..Electromagnetic Simulation Using the FDTD Method［M］.New York：Institute of Electrical and Electronics Engineers Press，2013.

［14］Fenton M.B.，Bell G.P..Recognition of species of insectivorous bats by their echolocation calls［J］.Journal of Mammalogy，1981，62（2）：233-243.

［15］Ta？ove A，Brodwin M.E..Numerical solution of steady-state electromagnetic scattering problems using the time-dependent Maxwell’s equations［J］.IEEE Transaction on Microwave Theory and Techniques，1975，23（8）：623－630.

［16］Urick R.J..Principles of Underwater Sound［M］.New York：McGraw－Hill，1983.

Numerical study of structure of em ission beam form ing in Egyptian slit-faced bat

Zhuang Qiao，Chen Xiaoqian，Zhang Meisheng
（School of Science，Shandong Jianzhu University，Jinan 250101，China）

Smart antenna is the indispensable key technology of the third generation mobile communication system，and theoretical basis obtained by this work can improve the characterise of smart antenna.The purpose of this study is to explore the effect of different parts（pit，upper leaf and lower leaf）of noseleaf on ultrasonic emission beamforming using finite difference time domainmethod（FDTD）and Kirchhoff integral.Three dimensional numericalmodel of noesleafwas built by scanning sample and processing scanned images，and all various models of noesleaf were got by removing different sections separately or together.Then，all models were studied by numerical method. Acoustic near-field pressuremagnitude，far-field radiation pattern and directivity correlation coefficient were represented as results.Simulation results show that the pit has a significant impact on increasing magnitudes near the area of pit，and it also can focus the acoustic near field as well as shaping the radiation patterns and hence enhancing the directionality.In terms of the function of upper leaf，it can adjust the amplitudes of the acoustic beam near the pit and front.The lower leaf seems to overall focus the acoustical near field.What’smore，interactions between the acousticeffects of the partswere also evident，and different combinations of three parts generate complicated influence on beam-forming. Theaveragedirectivity correlation coefficientof amodelwhich was removed all three parts is lower than 0.85，this phenomenon indicates that this kind ofmodel has themostobvious effecton the distribution of sound field.

Q62

：A

1673－7644（2017）02－0118－07

2017－02－05

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（11374193）；山東建筑大學(xué)博士科研基金項(xiàng)目（XNBS1276，XNBS1269）

莊橋（1970－），男，副教授，博士，主要從事仿生聲學(xué)等方面的研究.E-mail：zhuangqiao＠sdjzu.edu.cn