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[期刊论文] 宋忠长 张宇 魏翀
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北大核心 CSTPCD CSCD AJ CA CBST
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摘要:研究了无指向性点声源在白鳍豚生物头部声呐系统作用下形成的声场。与传统鲸豚仿生声呐模拟中将上颌骨当作流体的模型不同,本文顾及到实际白鳍豚上颌骨的固体性质,利用流固耦合模型在仿真模拟中同时考虑了上颌骨的压力波与剪切波,并在此基础上对比了流固耦合模型下和流体模型下的白鳍豚产生的声场。结果表明,在流固耦合模型中,白鳍豚的上颌骨中存在沿着上颌骨界面传播的固体声波,而流体模型中的上颌骨则没有观察到固体声波,且固体声波的传播特点随着频率变化和上颌骨厚度变化都会发生变化。这些表明,白鳍豚生物声呐系统中上颌骨除了被广为接受的反射作用外,还起着引导产生固体表面波的作用。此外,两种模型的主瓣角和-3分贝带宽的频响特性表明剪切波的存在不会对这两项声场参数造成太大影响。这些对了解上颌骨等骨质结构在声波波束形成过程中的作用具有参考意义,为今后鲸豚仿真模拟以及生物声呐设计提供了一定的参考。
[博士论文] 魏翀
海洋物理 厦门大学 2016(学位年度)
摘要:作为群居的海洋哺乳动物,齿鲸类拥有着与众不同且功能强大的生物声呐系统。其生物声呐系统经过自然界的长期演化和优胜劣汰,性能已高度优化。海豚的回声定位声波能够在百米内探测到厘米级大小的物体,并对毫米级厚度的金属目标做出辨别,此外还能在探测移动目标的时候对其波束特性进行调整,其性能远远优于目前世界上任何的人工声呐。其生物声呐系统卓越的性能引起了世界上声学研究者强烈的兴趣,不但使得齿鲸类生物声呐研究成为近年来生物声学界以及国际海洋声学界的焦点,还成为新型海洋技术开发值得关注的高新科技领域,对海洋珍稀哺乳动物种类的保护和发展仿生声纳技术具有极其重要意义。但由于生物声纳的研究属于声学、生物学、仿生学等交叉领域,加之生物声学机制的复杂性以及对活体生物实验研究的不确定性,使得此项研究成为一个极具挑战性的难题。随着近年来计算机科学以及生物医学影像技术的飞速发展,基于物理声学以及应用数学的理论数值模型模拟已经成为一种有效的工程分析方法被广泛地运用在生物声学的研究中,通过数值模拟的研究不但能够直观地揭示生物发声的复杂物理机理和过程,还能解决一些目前实测实验无法回答的难题,并对实测实验的展开提供理论上的指导。
  根据定位信号特征,一般在鲸豚声学研究中把齿鲸类分为两大类型:宽带定位信号型豚类和窄带定位信号型豚类。其中宽带定位信号型豚类的回声定位信号为简短的高频宽带脉冲,信号一般有4-8个周期,持续时间为40-70μs,而窄带定位信号型豚类的回声定位信号为高频窄带脉冲,信号的周期数一般不小于12个,持续时间一般都长于100μs。考虑到结论的适用性,本文的研究将以宽带定位信号型豚类中的宽吻海豚和白鱀豚,以及窄带定位信号型豚类中的鼠海豚和长江江豚为研究对象。首先对死亡动物的新鲜样本进行高精度的CT断层扫描,再对动物的头部组织进行物理特性测量,以此为基础重建动物头部的二维和三维模型,并利用有限元数值模拟的方法对信号在海豚头部产生、头部内部传播以及传送到头部外部形成高指向性声波的物理过程进行模拟和研究。
  论文主要包括以下几个方面的内容:
  1.阐述介绍海豚声学研究的相关背景以及数值模拟在鲸豚声学中的应用。
  2.通过对海豚头部样本的计算机断层扫描以及组织物理声学特性测量,对海豚的头部进行三维声学特性重建。
  3.利用有限元方法搭建海豚头部发声的数值模型并模拟海豚头部内部声波产生、传播到传送到头部外部形成高指向性波束的物理过程。
  4.揭示声波如何在海豚头部内部产生散射、折射和反射,以及形成头部内部的声通道并在头部外部形成具有特殊指向性的生物声呐超声波束的物理机理。
  5.通过数值模拟和相关实测结果的比较,以海豚发声的物理机理为基础,探讨海豚声源处原始信号的波形。
  6.通过建立不同的模型并进行比较,以此来揭示海豚头部复杂的生物组织结构在声波传播和波束形成的物理过程中如何相互调控,并对国际鲸豚声学领域关于海豚的额隆组织是否是头部波束聚焦的根本原因及额隆的具体功能这一具有争议的焦点问题提供直观的理论证据。
  本文的创新之处在于:
  第一,本研究首次发现了未成年长江江豚头部的额隆组织不存在诸如其他成年鲸豚类的额隆组织具有声学参数从内到外呈递增不均匀分布的现象。
  第二,本文首次运用动物离体实验、实测信号分析和数值模型相结合的方法,通过动物离体实验测得海豚的组织的物理特性参数,并以此为基础对海豚进行三维声学特性重建。再结合大量实测数据的分析比较,利用数值模拟的方法来对海豚生物声呐超声波束形成的物理过程进行研究。
  第三,本文首次根据海豚定位信号特性以及头部结构的不同把海豚分为两种类型豚类(宽带定位信号型豚类和窄带定位信号型豚类),并分析和比较了两种豚类不同喙部结构对其生物声呐超声波束形成的物理机理的影响。
  第四,本文首次基于海豚声源处振荡发声的物理机理,以大量相关的实测信号为参照,通过对声源信号的调试和反复计算对不同类型海豚声源处的原始信号进行还原。
  第五,本文首次揭示了海豚头部复杂的生物组织结构在其生物声呐超声波束形成过程中所起到的具体作用,并比较了各个组织的相对作用。结果显示,在超声波束形成过程中,气囊的作用在于促使声波向前传播,而头骨的作用在使声波保持在喙部以上传播。另外,本文首次深入到海豚额隆内部,直观的揭示了额隆组织在头部波束形成中起到相对较小的作用,额隆的功能在于引导波束方向和微弱的聚焦,以及在声信号从海豚头部有效传输进入水中起到阻抗匹配作用。
摘要:针对宽吻海豚通讯信号自动分类提出了一种基于句法模式识别的方法.该方法首先提取海豚通讯信号基频随时间变化的轨迹曲线,然后提取基频变化的基元序列.根据海豚通讯信号分类的标准,归纳出产生各类海豚通讯信号基频基元序列的文法.对未知类别的海豚通讯信号,提取其基频变化的基元序列,根据各类模式的文法对基元序列进行分类,进而实现海豚通讯信号的自动分类.实验结果显示本文方法的分类准确率达到了95%.本文方法预期为海豚生物学行为的声学研究提供一定的技术支持.
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[期刊论文] 魏翀 许肖梅 张宇 牛富强
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EI CSTPCD 北大核心
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摘要:根据频率特性对圈养宽吻海豚(Tursiops truncatus)在自由游动和训练两种实验条件下的声通讯信号进行分类,并利用双尾t检验统计分析方法对两种条件下的信号声谱参数进行统计比较.结果显示,宽吻海豚在自由状态下通讯信号的种类多并以正弦型为主,而训练期间的通讯信号则大多数为上扫频类.此外,统计分析表明起始频率不能反映这两种状态的不同(p=0.22).结束频率、最小频率、最大频率、频率变化量、拐点数、环形数、阶数、波形数和周期等则显示了两种状态显著的差异性(p<0.05).结果为今后海豚声行为研究提供一定的科学参考和基础.
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摘要:本文通过实验测量获得中华白海豚额隆区域不同位置A区域与B区域的平均声速值,并运用CT断层扫描技术得到A区域与B区域所对应断层相应位置的平均亨氏单位(Hounsfield unit,HU).对两者进行一元回归分析,结果显示声速与HU值之间具有显著线性关系,并由此重建得到中华白海豚头部各个组织的三维声速分布.本文的结论为将来中华白海豚头部三维重建提供了定量上的科学参考,也为将来中华白海豚生物声纳系统的特性研究提供了一定的基础.
摘要:本文提出一种大黄鱼声音脉冲合成的新方法,利用衰减指数和振荡频率对大黄鱼声音信号进行了描述,从时域和频域角度对合成函数效果进行了评价。同时分析了不同鱼龄的声音信号在函数参数上的反映。探讨了参数的物理意义。
摘要:由水声信道的多途扩展和时变衰落造成的信号衰落是实现稳健、高速率水声数据传输需要解决的主要问题。本文对Chirp扩频通信系统的抗多途原理进行了研究和分析,结合分析结果提出了Chirp扩频信号参数的设计方法。通过仿真实验比较了BPSK和Chirp-BPSK通信系统在多途信道下的误比特率性能,仿真结果说明Chirp-BPSK系统能够有效消除信道多途造成的码间干扰。
摘要:海豚通过whistle声信号与同伴进行通信交流,不同种类的海豚其whistle信号有所区别。研究海豚的不同whistle声信号,分析声学与行为特征将有助于应用声学技术对海豚进行保护。本文在厦门五缘湾海豚保护基地对两只印太宽吻海豚声信号进行了记录,应用短时傅里叶变换进行信号处理,提取海豚whistle的特征参数进行统计分析;应用判别函数分析方法对宽吻海豚和中华白海豚whistle的特征参数进行比较分析。结果说明两种海豚的whistle声信号特征具有明显的差异。研究成果为基于海豚Whistle信号参数特征的分类学研究以及声学保护技术提供重要的科学依据。
[期刊论文] 魏翀 张宇 张赛 徐晓辉
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EI CSTPCD 北大核心
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摘要:对所采集到网箱中人工养殖的两组不同年龄大黄鱼(Pseudosciaena crocea)产生的声信号进行定量分析和比较,运用分段指数振荡函数合成大黄鱼声信号,并利用振荡频率和衰减指数定量地描述了鱼声信号特性.结果显示,合成的大黄鱼声信号在时频域都显示出很好的拟合优度,13-15月鱼龄组的平均振荡频率和衰减指数均低于7-8月鱼龄组.结果表明函数的振荡频率和衰减指数与大黄鱼发声的物理过程及年龄特征存在一定的联系,为今后人工养殖大黄鱼中声学技术的相关应用提供一定的科学参考和基础.
摘要:宽吻海豚(Bottlenose)是分布于各大洋浅海海域的海洋性豚类,白鱀豚(Baiji)是曾经分布在我国长江流域的淡水性豚类。它们都依靠强大的声纳系统来觅食、回避天敌以及和同伴沟通等。近年来,国内外对海豚声纳的研究主要集中在回声定位信号和通讯信号上。而对后者的研究主要分为两种:一是对通讯信号进行分类,包括根据海豚的种类、个体区别、频谱特性等方面所进行的分类,如对signature whistle的研究;二是把海豚生物学行为与通讯信号特性相结合来研究海豚在不同状况下通讯信号所传递的信息。现代水声技术的进步推动了对海豚声信号及其声行为的研究,使人们能进一步了解海豚,对保护珍稀海豚种类,如中华白海豚起到关键作用。
摘要:本文通过对宽吻海豚自由游动时声信号特征的研究,分析了宽吻海豚与白黔豚在通讯信号上的异同点及其原因。在今后的工作中,将通过更多实验来获取更多数据,并结合相应的海豚行为特征来归类划分、建立数据库,对将来人工喂养海豚、保护海豚尤其是稀有海豚种类提供参考。
摘要:随着人类对海洋的开发利用,深海资源成为了各国研究者极力探索的一块宝地.文章系统介绍了当今国内外针对深海生物的捕获技术,以及捕获技术的现状和收获,提出一些深海生物捕获待解决的难点,并对未来的发展进行了展望.
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