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生物聲學-生物聲學

時間:2022-03-18 15:56瀏覽次數:200
生物聲學是研究能發聲和有聽覺動物的發聲機制、聲音信號特徵、聲波接收、加工和識別,動物聲通信與動物聲納系統,以及各種動物的聲音行爲的生物物理學分支學科。
生物聲學是介於生物學和聲學之間的一門邊緣學科,它是生物學、聲學、語言學、醫學、化學等多學科相互滲透的產物。
廣義的生物聲學還涉及生物組織的聲學特徵、聲音對生物組織的效應、生物媒質的超聲波性質、超聲波的生物效應及超聲劑量學等方面內容,並在此基礎上形成了超聲生物物理學一個新的科學分支。

發展簡史

生物聲學的萌芽早在人類的久遠歷史上就已留下了印跡,在公元前三千年的埃及古墓中,曾發現有獵人模仿鵜鵠的叫聲引誘飛鳥行獵的圖案。
在公元前六百年中國春秋時代的《詩經》中就有“雉之朝雒,尚求其雌”詩句,是說雄性野雞清晨鳴叫是在尋求配偶。
早期的文藝作品多對於蟲鳴、鳥啾等動物音樂有生動的描述,其後人們又相繼對昆蟲、鳥類、兩棲類、魚類及哺乳動物的發聲和聽覺器官做了廣泛的研究。
但人們對動物聲音的實驗研究開始甚晚,1938年美國科學家皮爾斯和格里芬證實,蝙蝠能發出人耳聽不見的超聲波。
其後隨着聲學、電子學與通訊技術的飛速發展,大大推動了人們對動物聲音通信方法的研究。
1956年4月,在美國賓夕法尼亞州召開了世界上第一次生物聲學學術討論會,建立了生物聲學國際委員會(ICBA),這次會議標誌着生物聲學的誕生。
法國著名科學家比斯內爾尹1963年編輯了《動物的聲學行爲》一書,彙集了當時生物聲學研究的主要成果,是生物聲學發展的一個里程碑。
此後,陸續舉行過多種關於動物聽覺與聲通信的國際學術會議。
隨着科學技術的迅速發展,出現了錄音機、語圖儀和計算機,大大加強了對聲音的錄放和分析技術,使對動物聲的研究進入了新的歷史階段。
與此同時,由於聲譜技術的擴展,特別是超聲波技術和超聲波醫學的發展,使生物聲學的內容大大超出了早期的正統研究範圍,開始對超聲波在生物體系的各個層次上(生物大分子、細胞及生物組織)的傳播和相互作用規律進行了大量的研究,使生物聲學在更廣泛的意義上與生命科學聯繫起來。

基本內容

動物之間的聯繫和交往是維繫它們種羣和羣落結構,以及進行正常生活的必要手段。
光、電、磁以及化學氣味都可以作動物交往的媒介,然而聲波信息在動物交往中卻佔有特別重要的地位。
它最大優點是傳遞距離遠,且易於負載豐富多彩的感情。
生物聲學主要圍繞動物聲波交往這個內容進行着一系列有關課題的研究。
識別和交往功能生物聲學主要研究同一種羣內動物聲的識別和交往功能,不同種羣的動物聲的區別和隔離功能,以及動物聲在種羣和羣落的形成和進化過程中的作用等;生物聲學還研究動物的聲音發生和聲音接收器官,及其工作機制,即動物聲交往的生理基礎和它們與動物形態學的關係。
許多動物的發聲器官是聲帶,但有的卻不是用聲帶產生動物聲,如蚱蜢用後腿摩擦發聲、蟬用腹下薄膜發聲、魚可用鰾發聲、海豚主要靠鼻道發聲等。
同樣,動物接受聲波的聽覺器官也各不相同。
如蚱蜢微小的聽覺器官生在腹部;紡織娘靠前腳上一個肉眼看不到的微型薄膜感受聲波;蟑螂是用尾須接收聲波;雄蚊頭上兩根觸角上的剛毛則對雌蚊翅膀的扇動聲特別敏感;許多飛蛾都有一種內藏式的“聲吶系統”可以收聽超聲波;大多數魚的聽覺器官便是體側的側線,在這些側線中含有聽覺神經末梢以受納聲波;蛇的聽覺極弱,主要通過腹部感受周圍環境的動靜等等。
理論模型和數學方法長期以來,人們出於在空間和水下探測中應用仿生學的強烈興趣,對蝙蝠和海豚的超聲定位系統給予了特殊的注意爲了分析研究它們的發聲信號,建立和發展了必要的理論模型和數學方法。
蝙蝠用喉頭髮射超聲,並用耳朵接收其反射回波,從而構成超聲探測系統。
發射的超聲頻率可高達10萬赫(菊頭蝙科)。
實驗表明,挖去雙眼的蝙蝠藉助其超聲定位系統可探查到0.1毫米的金屬絲障礙物,可在半秒內捕捉到三個飛行中的昆蟲。
海豚有着超聲定位本領,而且還發現海豚在相互交往時使用七種不同的發聲並以長短不同的間歇相組合。
科學家預言,一旦這些聲信息破譯後,就可通過電子技術實現人與海豚之間的對話。

研究

研究能發聲和有聽覺動物的發聲機理,聲信號特徵,聲接收、加工和識別,動物聲通信與動物聲納系統以及各種動物的聲行爲等的生物物理學分支學科。
廣義的生物聲學還涉及生物組織的聲學特徵、聲對生物組織的效應、超聲診斷的理論與應用等內容。
有效的聲通信系統必須具備下述條件:由發聲動物所發出的聲音信號具有種屬專一性;聲接收者對於種屬專一的聲信號能夠檢測,聲信號的接收者還必須對發聲者進行定位。
確定聲源位置,在不少動物的多種行爲中起關鍵性作用。
例如,吸引配偶、確定領地、捕捉食物、躲避捕獵者或障礙物、成對的維持、親代與子代的聯絡以及生物的成羣等。
昆蟲的發聲昆蟲是用聲信號進行種內通信的第一批陸生動物。
昆蟲主要靠摩擦發聲。
直翅目與蟬科動物的發聲爲人們所熟知。
果蠅也有一個發育良好的聲通信系統。
鱗翅目的蛾似乎沒有或者只有很差的種內聲通信,但它們具有十分有效的聽系統來檢測獵食蝙蝠的叫聲。
蟋蟀利用鞘翅的發聲機制發聲,其左右兩隻鞘翅均有發育良好的音銼,但多數情況下只使用右音銼。
蟋蟀的鳴聲通常是相當純的律音,頻率範圍3~50千赫。
鳴聲可分爲鳴叫聲、攻擊聲和求配聲。
多數蝗蟲利用股節?鞘翅摩擦發聲。
後肢股節的內側表面的音銼,由一串距構成。
音銼相對於前鞘翅上隆起的中徑脈摩擦而發聲。
蝗蟲耳就是第一腹節背板兩側孔內的鼓膜器。
脊椎動物的發聲有關脊椎動物的行爲與生理學研究表明,不少魚具有良好的水下聽覺及頻率識別能力。
除少數魚在繁殖期和開拓活動水域時能產生幾種聲音外,魚不會發聲。
兩棲動物的聲行爲比較普遍。
例如雨蛙、蟾蜍等在性激素控制下,對雄性動物的鳴叫聲表現出的正趨聲行爲。
在爬行動物中,聲通信與聽覺對於羣居交際活動作用似乎不大。
不過,鱷魚和夜壁虎能夠靠聲進行通信,它們的內耳的細微結構及聽能力與鳥類相似。
鳥類的發聲鳥的發聲既是一種重要行爲,也是鳥類進化的指標。
許多鳥發出的聲信號,其模式是遺傳固有並在個體發育史上靠耳來調節的。
部分或全部地通過學習及模仿,完善其聲發射的性能。
鳥鳴所傳遞的信息,用於一般的種屬鑑別,以誘發不同的行爲,或者用於個體識別。
鶉雞類在孵育期的發聲會影響孵化的速率。
森林鷹利用發聲作爲捕捉食物的誘餌。
許多鳴禽與鸚鵡能改變自己的鳴聲,並藉此鑑別同伴或近親。
按鳴聲的生物意義,可分出:引唱的哨音、威脅聲、攻擊聲、平定聲、恐懼的尖叫聲、幼雛聲及交配聲等等。
鳥的聽覺結構已相當發達。
鳥類聽覺對低頻和中頻敏感。
如紅腹灰雀對100赫~12.8千赫的聲音都有反應,而對較高頻率的聲音其反應靈敏度大大下降。
信鴿能檢測到0.05~10赫的次聲,它對次聲的靈敏度比人強50分貝。
有些鳥包括東亞雨燕和美洲的熱帶油鳥等,有能力在它們棲居的黑暗巖洞內利用回聲定位。
蝙蝠的發聲蝙蝠視力較差,在黑暗中穿越複雜的環境,卻仍能高速飛行。
許多蝙幅依靠在空中攔截小昆蟲爲生。
蝙蝠這種驚人的能力在於它在進化中形成了十分完善的回聲定位系統(或聲納系統)。
回聲定位是生物適應黑暗環境的結果。
利用自己發出叫聲的迴音來導航,測定目標距離及運動速度,瞭解目標的質地、發現障礙及尋覓食物等。
蝙蝠發出的聲信號,主要有3種類型:短喀嗒聲、調頻脈衝和常頻脈衝,以及調頻與常頻脈衝的混合信號。
在使用調頻信號瞬時時,頻率變化越迅速,由迴音所提供的關於目標位置及表面性質的數據越精確。
常頻信號在蝙蝠叫聲中不普遍。
但它作爲載頻和標記頻率,可檢測出迴音頻率的微小變化。
蝙蝠聲頻範圍8~215千赫。
每個脈衝的持續時間約2毫秒。
聲脈衝發射的速率與所需要處理的信息有關:蝙蝠在巡飛期間,每秒鐘只發射幾個脈衝;當遇到小的或快速移動的目標時,脈衝發射的速率每秒高達200以上。
蝙蝠能夠利用這些聲音脈衝的迴音,在百分之一秒內獲得有關它想捕獵的、離它15釐米遠處飛行的小動物的全部信息。
蝙蝠的聲脈衝是由喉部8微米厚的組織薄片作特異振動而產生的。
當空氣衝過薄膜時,引起振動,同時發出高達10×10<上腳標>-5~60×10<上腳標>-5牛頓/釐米<上腳標>2脈衝。
蝙蝠的聽覺還包括能運動的大耳翼,3塊聽小骨等。
海豚的發聲海豚能夠利用脈衝式喀嗒聲發射靠回聲定位方法,從回聲中“看”到目標的三維圖像,十分細緻地識別周圍物體精確地導航。
海豚在混濁水中及黑暗條件下能成功地捕食小魚;人工訓練的海豚能躲避開人爲設置的金屬桿障礙列陣;能以100%的精確度區別開兩個直徑分別爲5和6.3釐米的鋼球;如以0.22釐米厚的銅板爲標準目標,海豚能區分開0.32釐米厚的鋁板與0.64釐米厚的銅板。

應用

簡介綜述20世紀中期以來,人們使用兆赫級超聲波對哺乳動物的組織和器官的超聲性質(速度、衰減、吸收、聲阻抗、散射等)做了大量研究,爲現代醫學超聲工程奠定了基礎。
70年代以來,以B型超聲成像爲代表的醫學超聲診斷技術取得了很快的發展。
它通過實時顯示人體內臟的瞬態特性,直接向人們提供有關臟器的生理或病理信息。
超聲診斷由於安全、簡單、經濟、信息量豐富而受到醫學界的特別賞識。
作爲生物物理學和分子生物學的組成部分,微觀生物聲學正在發展中。
對各種氨基酸、寡肽、多肽、蛋白質及脫氧核糖核酸等生物大分子水溶液的超聲弛豫吸收機制做了較深入的研究。
在生物大分子構像變化、質子轉移動力學及生物大分子與水分子間的相互作用等方面,也都取得了有價值的研究成果。
聲波作用於生物體對其產生某種影響稱爲聲波的生物效應。
大量試驗表明,用一定頻率和劑量的聲波處理蔬菜、穀物、中草藥及樹木的種子常常可獲得明顯的增產效果。
糧倉內安裝驅鼠器可使糧食免受鼠害等等。
仿照水母耳做成的颱風警報器可提前15小時準確地預報臺風的方位和強度;仿照蝙蝠的聲系統製成的聲吶“眼鏡”可以幫助盲人辨認出面前的電線杆、臺階以及草地中的羊腸小道。
聲納《新科學家》在一期週刊報道,美國海洋專家發現,海豚發出的友善的“咔嗒”聲似乎是用來驚嚇或迷惑捕食對象。
佛羅里達大西洋大學的研究人員丹尼斯·赫青和夏威夷地球公司的肯·馬滕說,他們首次爲這一理論找到了錄像依據,證明海豚是靠聲納來攻擊並找到它們的捕獲物。
這兩位學者的報告稱,他們拍下了海豚追捕鯡魚的過程。
海豚在靠近鯡魚時發出低沉的轟聲,其頻率足以破壞鯡魚的聲音感覺器官。
聲納在海上捕魚方面有着廣泛的應用:最新的聲納技術和數字技術在漁探和顯示領域的具體應用,是漁探領域近50年來的重大突破。
它不但能根據海況和探測深度自動地高頻率地調整輸出功率、聲波頻率,還能自動地無數級地調整脈衝重複頻率、接收帶寬、接收增益、顏色增益等參數實現水下魚情和海底狀況真實再現,彩色畫面穩定,水面附近不再有雜波,海底輪廓真實,水中魚兒清晰可辨。
使用先進的漁探聲納技術,不但能夠發現魚和魚羣,可以瞄準每一條魚,而且由於該設備具有非凡的性能,它甚至可以當作聲納,用來探測搜索水下其它令你感興趣的物體。
稻草人生物聲學系統從農業興起開始,人類就一直在努力不懈地與其他入侵者作鬥爭,防止它們偷襲自己辛苦種植的農作物。
在萬聖節來臨之際,我們一起來看看21世紀的“麥田守望者”——在經典南瓜頭稻草人基礎上打造的現代高科技稻草人吧。
鳥類會給農民帶來不少煩惱,更嚴重的是,亂飛的鳥雀會對準備起飛或降落的飛行員造成可大可小的威脅。
爲了幫助清除跑道障礙,英國開發了一款名爲“創世紀(Ultima)”的稻草人生物聲學系統,採用觸摸屏平板監視、跟蹤並最終嚇走鳥類。
該系統中包括了數個安裝到車頂的揚聲器,輕輕一按按鈕,就可以發出各種刺耳的聲音。
此外,系統軟件中擁有一個內置的鳥類物種指南,可以鎖定那些常見的“危險分子”,同時可以通過GPS全球定位系統來追蹤入侵鳥的方向,更準確的判斷應該朝哪個方向發出“恐嚇聲音”。

意義

對哺乳動物組織超聲傳播和相互作用的深入研究,必然會找到描述組織生理特性的、更多的聲學特徵參量(如聲速、聲衰減、非線性參量等),建立和發展新的診斷設備,開拓定量超聲診斷的途徑。
並可使超聲醫療在更嚴格的科學基礎上得到進一步發展。

與仿生技術

生物聲學與人類生活和生產活動息息相關。
播放模擬蝙蝠叫聲,驅逐夜蛾,可提高玉米產量;控制海洋生物聲場可以判斷魚羣的位置、種類及數量,利用電子發聲器引誘魚羣定向聚集,可以提高捕魚量;飛機場安裝驅鳥器會大大改善飛機的飛行安全;糧倉內安裝驅鼠器可使糧食免受鼠害等等。
次聲波波長長,在大氣中傳播時不易衰減且極易衍射,故可傳播很遠,據此可探測遙遠位置的自然災害,提前預報。
有趣的是,有些動物如水母對臺風的次聲波感覺靈敏,它們可在臺風來臨前的數小時潛入深海;仿照水母“耳”做成的颱風警報器可提前15小時準確地預報臺風的方位和強度。
人們往往成功地利用地震前動物的異常表現來預報地震的爆發,而這些動物的異常反應很可能是由地下岩石劇烈活動時發出的次聲引起的。
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