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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。<br>　　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。<br>　　论文主要包括以下几个方面的内容:<br>　　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。<br>　　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。<br>　　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。<br>　　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。<br>　　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。<br>　　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。<br>　　本文的创新之处在于:<br>　　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。<br>　　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。<br>　　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。<br>　　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。<br>　　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。