張闖 宋忠長 張宇
(廈門大學(xué)海洋與地球?qū)W院, 水聲通信與海洋信息技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 廈門 361000)
中華白海豚依靠其回聲定位系統(tǒng)進(jìn)行導(dǎo)航與目標(biāo)探測. 本文利用計(jì)算機(jī)斷層掃描、超聲測量與數(shù)值模擬研究中華白海豚聲吶系統(tǒng)聲接收過程. 計(jì)算機(jī)斷層掃描結(jié)果表明, 中華白海豚聲接收系統(tǒng)位于下頜區(qū)域. 聲接收通道主要包含下頜骨內(nèi)側(cè)脂肪、下頜骨外側(cè)脂肪、下頜骨與聽小骨. 數(shù)值模擬結(jié)果表明, 中華白海豚的聲接收通道具有多樣性. 聲波可沿著下頜骨傳播至下頜內(nèi)部脂肪, 并隨后傳導(dǎo)至聽小骨處. 聲波還可以通過下頜骨外側(cè)脂肪進(jìn)入聲接收系統(tǒng). 聲接收通道的多樣性表明中華白海豚聲吶系統(tǒng)的復(fù)雜性, 探究聲接收工作原理能加深下頜脂肪與下頜骨等多相介質(zhì)形成的系統(tǒng)對聲傳播的控制, 可為人工聲接收系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供新思路.
中華白海豚(Sousa chinensis)是依靠聲波進(jìn)行回聲定位的中小型齒鯨生物[1,2]. 中華白海豚棲息于河口內(nèi)灣, 生活區(qū)域與人類海上活動(dòng)區(qū)域高度重疊[2?4]. 人類活動(dòng)對中華白海豚的生存已造成不良影響, 20 世紀(jì)80 年代以來, 中華白海豚數(shù)量驟減[5,6]. 20 世紀(jì)90 年代以來, 中華白海豚已被列為國家一級保護(hù)動(dòng)物, 屬于國際自然保護(hù)聯(lián)盟清單的近危物[7].
數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)測量均表明了中華白海豚能夠通過其發(fā)射系統(tǒng)將回聲定位脈沖信號的能量進(jìn)行聚焦, 調(diào)控成聲波波束[8?11]. 海豚的回聲定位發(fā)射系統(tǒng)位于其前額而聲接收系統(tǒng)位于下頜[1]. 前額發(fā)射系統(tǒng)中軟組織、上頜骨與氣體機(jī)構(gòu)組成天然聲學(xué)超材料, 調(diào)控回聲定位脈沖形成波束[12]. 中華白海豚前額的軟組織包含額隆、肌肉與結(jié)締組織, 組成聲速、密度呈梯度分布的結(jié)構(gòu)[13,14]. 海豚的聲接收系統(tǒng)與發(fā)射系統(tǒng)類似, 也存在不同聲速、密度的組織結(jié)構(gòu), 將聲波耦合進(jìn)入聽覺通道.
海豚聲接收系統(tǒng)位于下頜, 是實(shí)現(xiàn)回聲定位功能至關(guān)重要的組成部分. 數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)測量表明海豚的聲接收通道具有多樣性[15]. Purves 等[16,17]的研究表明聲波是通過外耳道進(jìn)入海豚聽覺系統(tǒng),尤其在低頻聲波的接收中起著關(guān)鍵作用. 而Norris[18]指出聲波是從下頜骨外部脂肪進(jìn)入海豚, 隨后穿過盤骨區(qū)域進(jìn)入下頜骨內(nèi)部脂肪, 并最終傳到聽小骨處, 該聲接收通道被稱為“Jaw hearing”接收通道.Bullock 等[19]實(shí)驗(yàn)測量側(cè)面證明了Norris 的理論,實(shí)驗(yàn)表明在海豚的下頜區(qū)域與揚(yáng)聲器之間插入紙板或橡膠板時(shí), 下頜區(qū)域的聲接收效率會(huì)明顯降低. 生理電位測量與聲學(xué)行為實(shí)驗(yàn)表明聲刺激放置在海豚的下頜骨區(qū)域時(shí), 其聽覺靈敏度高于其他區(qū)域[20,21]. Varanasi 和Malins[22]從聲阻抗匹配角度出發(fā)探究Norris 等的“Jaw hearing”, 并指出海豚下頜脂肪的聲阻抗與水相近. 這種阻抗匹配能夠增強(qiáng)聲信號從水中傳播到海豚的聲接收通道時(shí)的能量傳遞. Norris 的“Jaw hearing”理論加深了人們對海豚聲接收過程的理解.
后期的研究表明, 聲信號可從多個(gè)通道進(jìn)入海豚聲接收系統(tǒng), 包括從喙部尖端以及下頜骨之間的軟組織區(qū)域[22?25]. 數(shù)值模擬表明, 齒鯨確實(shí)存在以下頜骨骨質(zhì)結(jié)構(gòu), 即喙部為接收起點(diǎn)的通道. 在該聲接收通道中, 聲波從下頜骨之間的軟組織進(jìn)入齒鯨生物內(nèi)部并往后傳播至下頜骨內(nèi)部脂肪, 最終到達(dá)聽小骨, 進(jìn)入內(nèi)耳[24,26]. 國內(nèi)關(guān)于海豚聲接收的研究側(cè)重于聽覺曲線測量[27?30], 發(fā)現(xiàn)海豚的聽力隨著年齡增大會(huì)減弱. 海豚聲接收研究涉及多個(gè)傳播通道, 而這些通道均利用聲速、密度各異的軟組織結(jié)構(gòu)和固體結(jié)構(gòu)組成多相復(fù)合體傳輸聲波.
本文以中華白海豚為研究對象, 從解剖結(jié)構(gòu)研究、計(jì)算機(jī)斷層掃描(computed tomography, CT)與數(shù)值模擬探究其聲接收過程, 旨在加強(qiáng)了解對該物種聲接收過程的了解.
2015 年3 月14 日, 一頭雌性中華白海豚(Sousa chinensis)在福建省泉州市水域被發(fā)現(xiàn)擱淺死亡.該樣本在–25 ℃下冷凍保存. 2015 年5 月23 日,中華白海豚的頭部被取下, 送往廈門市中山醫(yī)院影像科進(jìn)行CT 掃描. 廈門中山醫(yī)院影像科的CT 掃描儀型號為GE Light Speed VCT 64 Slice CT Scanner, X 射線投照條件為120 kV × 600 mA,圖像分辨率為512 × 512 像素, 掃描層間距為0.625 mm. 圖1 為中華白海豚的接收系統(tǒng)位于頭部的下頜區(qū)域. 圖1(a)給出了中華白海豚頭部的重建結(jié)果, 以及下頜區(qū)域的聲接收系統(tǒng)在水平截面(圖1(b))與垂直截面(圖1(c))的二維截面, 結(jié)果顯示聲學(xué)脂肪、下頜骨與聽小骨組成聲接收通道. 其中, 聲學(xué)脂肪中的下頜骨外部脂肪連接下頜骨與皮膚, 而下頜骨內(nèi)側(cè)脂肪連接下頜骨與聽小骨. 下頜骨內(nèi)側(cè)脂肪與下頜骨外側(cè)脂肪圍繞著盤骨呈內(nèi)外分布, 下頜骨內(nèi)側(cè)脂肪填充下頜骨后側(cè)的腔體. 下頜骨、下頜骨內(nèi)側(cè)脂肪與聽小骨在空間上前后相連.
通過CT 影像數(shù)據(jù)可以讀取其CT 掃描結(jié)果單位, 亨氏單位(Hounsfield unit, HU). 通過實(shí)體解剖可獲取中華白海豚回聲定位系統(tǒng)的軟組織樣本, 結(jié)合超聲測量可獲取軟組織的聲速, 進(jìn)而重建出中華白海豚整個(gè)回聲定位系統(tǒng)的聲速分布[13].中華白海豚的軟組織樣本數(shù)量有限, 無法覆蓋整個(gè)頭部. 實(shí)際測量中, 首先利用CT 影像數(shù)據(jù)獲取中華白海豚整個(gè)頭部的HU 分布, 如圖1(b)與圖1(c)所示. 解剖過程中, 詳細(xì)記錄海豚皮膚的厚度、海豚頭部回聲定位系統(tǒng)組織樣本的尺寸. 隨后, 根據(jù)記錄在CT 影像中定位樣本, 讀取樣本HU 值. 將樣本的HU 值與樣本的聲速、密度進(jìn)行回歸分析,獲取HU 與聲速、HU 與密度之間的關(guān)系. 此后, 根據(jù)HU 分布以及HU 與聲速、HU 與密度之間的關(guān)系, 重建整個(gè)中華白海豚頭部的聲速、密度分布.
圖1 (a) 中華白海豚頭部三維重建; (b) 中華白海豚聲接收系統(tǒng)水平截面; (c) 中華白海豚聲接收系統(tǒng)垂直系統(tǒng)Fig. 1. (a) Reconstruction of Indo-Pacific humpback dolphin head in three dimensions; (b) sound reception system in horizontal plane; (c) sound reception system in vertical plane.
圖2展示了中華白海豚聲接收系統(tǒng)在水平截面(xz截面)和垂直截面(yz截面)聲速、密度分布. 圖2(a)與圖2(c)顯示的頭部聽覺系統(tǒng)的聲參數(shù)分布表明下頜脂肪的聲速與密度小于外層的肌肉和結(jié)締組織. 下頜骨內(nèi)側(cè)脂肪與下頜骨外側(cè)脂肪的聲速在1300—1400 m/s 之間, 密度在900—1000 kg/m3之間. 下頜內(nèi)部脂肪與下頜外部脂肪分布于盤骨的內(nèi)、外兩側(cè), 組成低聲速通道.
圖2(b)與圖2(d)給出中華白海豚垂直截面的接收系統(tǒng)的聲速和密度分布. 聲接收系統(tǒng)中, 觀察到下頜外側(cè)脂肪介于皮膚和盤骨之間, 聲速低于水, 可作為聲波進(jìn)入中華白海豚聲接收系統(tǒng)的起點(diǎn). 下頜內(nèi)側(cè)脂肪位于盤骨與聽小骨之間.
圖2 中華海豚頭部聲接收系統(tǒng)不同截面的聲速、密度分布 (a) 水平截面(xz)聲速分布; (b) 垂直截面(yz)聲速分布; (c) 水平截面(xz)密度分布; (d) 垂直截面(yz)密度分布Fig. 2. Distributions of sound speed and density in different planes of reception system in Indo-Pacific humpback dolphin: (a) Sound speed distribution in horizontal plane; (b) sound speed distribution in vertical plane; (c) density distribution in horizontal plane;(d) density distribution in vertical plane.
中華白海豚的CT 掃描結(jié)果與聲速、密度重建結(jié)果可為后期建立中華白海豚聲接收數(shù)值模型提供基礎(chǔ). 在數(shù)值模擬中借助有限元方法進(jìn)行求解.中華白海豚聲接收系統(tǒng)既存在聲學(xué)脂肪, 也存在固體結(jié)構(gòu)下頜骨. 聲波在海豚軟物質(zhì)中的傳播可忽略剪切波[27], 只考慮壓力波傳播. 描述聲波在軟組織中的傳播采用小振幅條件下, 流體中的聲波傳播方程[28]為
該傳播方程未考慮流體之間的剪切力與黏滯效應(yīng),簡化運(yùn)算. 而固體中的剪切力大, 需要加入聲傳播方程, 在剪切力的作用下, 固體中的聲波包含剪切波和縱波. 此時(shí), (1)式便不再適用, 方程中的描述項(xiàng)應(yīng)當(dāng)包括描述固體性質(zhì)的參量. 固體中聲波中的傳播方程為
式中,v是速度矢量;λ和μ是描述壓縮模量和剪切模量的系數(shù). 求解方程時(shí), 將矢量v分解為標(biāo)量速度勢的梯度Φ與矢量速度勢Ψ的旋度,
(3)式的求解可以分為兩部分, 求解標(biāo)勢和矢量勢,如下述兩公式:
式中:αmir=-ln(R1R2)/(2L)是腔鏡有效損耗因子,αcav是腔內(nèi)總損耗因子。閾值與總損耗的關(guān)系是:在其他條件不變的情況下,閾值隨總的損耗的增加而增加。當(dāng)鉺纖的增益等于腔內(nèi)的總損耗的時(shí)候,就會(huì)有激光激射出來,激光波長等于布拉格光纖光柵的反射波長。當(dāng)外界的溫度發(fā)生變化時(shí),經(jīng)過涂覆的溫度敏感性光纖光柵的中心波長發(fā)生變化,導(dǎo)致激光激射波長發(fā)生變化,這種變化會(huì)經(jīng)過傳輸光纖到達(dá)信號探測系統(tǒng)。
上述方程可用于求解空間中由流體和固體組成的系統(tǒng)的聲學(xué)問題. 此外, 在有限空間內(nèi)求解聲學(xué)方程會(huì)涉及邊界的定、邊界連續(xù)性以及求解域等問題.
設(shè)聲源處的原始激勵(lì)為Qm, 空間內(nèi)的聲波求解方程可以寫為
根據(jù)Qm的形式, 可分別進(jìn)行穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)求解. 在穩(wěn)態(tài)求解中, 可將Qm設(shè)置點(diǎn)源,
其中prms為入射聲壓p0ej2πft的均方根值. 聲源的頻率及帶寬設(shè)定可參考中華白海豚的回聲定位聲信號研究[9]. 瞬態(tài)求解中, 構(gòu)造的聲源脈沖Qm形式為
A0和A1代表脈沖幅度;α0,α1和α2為衰減參數(shù);f0為聲源脈沖的聲波峰值頻率. 模型設(shè)置還包括邊界設(shè)定、網(wǎng)格之間的邊界條件與計(jì)算域往外輻射的邊界條件. 邊界條件包括流體與流體之間、流體與固體之間以及固體與固體之間的連續(xù)性條件. 流體之間的邊界條件滿足界面上聲壓與速度連續(xù). 而流體與固體, 固體與固體間的連續(xù)條件為法向速度連續(xù)與法向應(yīng)力連續(xù). 計(jì)算域的邊界輻射條件滿足下式:
其中k表示波數(shù);pi表示入射邊界時(shí)候的入射聲場;pt為總聲壓場;q為雙極子源;n為法向向量.κ(r)為類型函數(shù), 可根據(jù)不同的輻射條件進(jìn)行設(shè)定. 平面波輻射條件下,κ(r) 為0.
在數(shù)值計(jì)算中, 聲速、密度參數(shù)設(shè)置參考圖2 重建結(jié)果. 計(jì)算域內(nèi)水的聲速和密度分別為1483 m/s和998 kg/m3, 骨質(zhì)結(jié)構(gòu)的壓力波速度和剪切波聲速分別為3380 與2200 m/s, 密度為2035 kg/m3[31].在設(shè)置完參數(shù)后, 進(jìn)行網(wǎng)格劃分, 與數(shù)值求解. 網(wǎng)格使用二階三角形劃分方法, 網(wǎng)格設(shè)置需保證每個(gè)波長內(nèi)至少有10 計(jì)算單位. 圖3 展示中華白海豚聲接收系統(tǒng)在不同截面的模型的網(wǎng)格劃分.
圖3 中華白海豚不同截面聲接收模型網(wǎng)格劃分 (a) 水平截面計(jì)算域; (b) 垂直截面計(jì)算域; (c) 頭部水平截面聲接收系統(tǒng); (d) 頭部垂直截面聲接收系統(tǒng)Fig. 3. Meshing of sound reception models in different planes: (a) Computing domain in horizontal plane; (b) computing domain in vertical plane ; (c) sound reception system in horizontal plane; (d) sound reception system in vertical plane.
圖4 給出了聲波垂直入射中華白海豚水平截面與垂直截面的接收過程. 聲波從頭部外0.3 m處輻射, 到達(dá)頭部時(shí), 下頜骨前側(cè)的喙部尖端受到聲波作用后會(huì)被激發(fā), 產(chǎn)生振動(dòng), 將聲波沿著下頜骨進(jìn)行傳導(dǎo), 到達(dá)下頜骨內(nèi)側(cè)脂肪. 聲波隨后沿著下頜骨內(nèi)側(cè)脂肪傳播并到達(dá)聽小骨. 水平截面與垂直截面的聲接收過程表明下頜骨與下頜骨內(nèi)側(cè)脂肪形成一個(gè)聲接收通道.
圖4 無指向性聲源0°入射中華白海豚不同截面的聲波傳播 (a)水平截面; (b)垂直截面Fig. 4. Propagation plots of an omnidirectional short-duration impulse source with an incident angle of 0° in different sections:(a) Horizontal section; (b) vertical section.
圖5 描述了聲源從不同角度入射進(jìn)入中華白海豚水平截面的聲傳播細(xì)節(jié), 結(jié)果表明無論聲波從哪個(gè)方向入射, 下頜骨與下頜骨內(nèi)側(cè)脂肪組成的聲波接收通道均是適用的. 此外聲波還會(huì)從由下頜骨外側(cè)脂肪、盤骨以及下頜骨內(nèi)側(cè)脂肪組成的聲接收通道進(jìn)入聽覺系統(tǒng). 在水平截面, 聲波的入射角度偏離頭部正向時(shí), 更多的聲波會(huì)沿著“Jaw hearing”聲接收通道傳播到聽小骨.
圖5 無指向性聲脈沖從不同角度入射中華白海豚聲接收系統(tǒng)水平截面的傳播細(xì)節(jié) (a) 30°; (b) 15°; (c) –15°; (d) –30°Fig. 5. Propagation plots of four omnidirectional short-duration impulse sources in horizontal section from different incident angles:(a) 30°; (b) 15°; (c) –15°; (d) –30°.
圖6結(jié)果表明由下頜骨與下頜骨內(nèi)側(cè)脂肪組成的聲接收通道同樣適用于中華白海豚聲接收系統(tǒng)垂直截面. 此外, 聲接收通道同樣存在多樣性,不同方向入射的聲波會(huì)通過不同的聲接收通道進(jìn)入聽小骨. 當(dāng)聲波從頭部下側(cè)入射時(shí), 聲波主要沿著傳統(tǒng)的“Jaw hearing”接收通道傳播. 當(dāng)聲波從頭部上側(cè)入射時(shí), 聲波可從下頜骨以及下頜骨外側(cè)脂肪為入口進(jìn)入中華白海豚聲接收系統(tǒng), 再經(jīng)過下頜骨內(nèi)側(cè)脂肪進(jìn)行傳播. 數(shù)值計(jì)算表明中華白海豚的聲接收過程是復(fù)雜的. 圖5 和圖6 關(guān)于聲接收系統(tǒng)水平與垂直截面的聲接收通道的分析, 同樣適用于兩個(gè)截面相結(jié)合的情況. 在中華白海豚頭部的前方或左右兩側(cè)的無指向性聲波, 都會(huì)經(jīng)過“Jaw hearing”接收通道或由外側(cè)脂肪, 到下頜骨, 再到內(nèi)側(cè)脂肪的接收通道.
圖7 描述了不同頻率的單頻聲源從0°入射進(jìn)入中華白海豚頭部的水平截面和垂直截面的穩(wěn)態(tài)聲場. 結(jié)果表明, 聲波主要沿下頜骨與下頜骨內(nèi)側(cè)脂肪組成的聲波接收通道進(jìn)入聽覺系統(tǒng), 部分聲波還會(huì)經(jīng)過下頜骨外側(cè)脂肪、盤骨與下頜骨內(nèi)側(cè)脂肪進(jìn)入聽覺系統(tǒng). 聲接收通道的多樣性適用于不同頻段的聲波.
中華白海豚的聲接收依賴不同聲速、密度的組織結(jié)構(gòu)組成的通道引導(dǎo)聲波. 中華白海豚的下頜骨被激發(fā)出的位移振動(dòng), 并未形成規(guī)律的表面波沿著下頜骨傳播. 研究表明東亞江豚的聲接收過程中,下頜骨被發(fā)出振動(dòng)后, 會(huì)在表面形成一列有規(guī)律的沿著固體表面?zhèn)鞑サ墓腆w波, 并后向傳播到下頜骨內(nèi)部脂肪中[15]. 東亞江豚和中華白海豚聲信號傳播的差異性首先可能是由于聲信號差異引起的. 在東亞江豚模型中, 聲源脈沖包含多個(gè)周期, 而中華白海豚的聲源脈沖周期數(shù)較少. 聲源信號的差異可能造成聲波在下頜骨以及下頜骨內(nèi)部脂肪的傳播形式有所不同. 此外, 不同齒鯨之間的聲接收系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成的差異也可能對聲波傳播造成影響. 中華白海豚的尺寸大于東亞江豚, 且喙部凸顯, 下頜骨長度大于東亞江豚. 結(jié)構(gòu)差異造成聲傳輸路徑有所不同, 對聲傳播產(chǎn)生不同影響.
中華白海豚的聲接收過程呈現(xiàn)復(fù)雜性, 與頻率相關(guān). 水平截面與垂直截面的聲接收過程均表明,聲波頻率會(huì)影響下頜骨的振動(dòng)模式以及聲傳播至聽小骨的過程. 聲波頻率較高時(shí)(如圖7(c)與圖7(f)所示), 其波長相對較短, 聲傳播受到的散射與調(diào)控過程更顯著, 下頜骨的振動(dòng)位移更大. 聲頻率較低時(shí)(如圖7(a)與圖7(d)所示), 散射作用會(huì)減弱.雖然聲傳播過程有所差異, 中華白海豚的聲接收通道均適用于不同頻率的聲波.
圖7 無指向性的單頻聲波從0°入射中華白海豚聲接收系統(tǒng)不同截面的穩(wěn)態(tài)聲場水平截面: (a) 30 kHz, (b) 60 kHz,(c) 120 kHz; 垂直截面: (d) 30 kHz, (e) 60 kHz, (f) 120 kHzFig. 7. The sound field of omnidirectional single-frequency sound waves with an incident angle of 0° in different sections directionless single-frequency sound waves. Horizontal section: (a) 30 kHz, (b) 60 kHz, (c) 120 kHz; vertical section: (d) 30 kHz, (e) 60 kHz,(f) 120 kHz.
本文利用CT 掃描、聲速重建、密度重建以及聲場數(shù)值計(jì)算研究中華白海豚聲接收系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成與聲接收物理機(jī)理. 中華白海豚的聲接收通道位于頭部下頜部分, 相對于水來說, 具有低聲速、低密度分布規(guī)律. 當(dāng)然, 在數(shù)值模擬部分, 本文使用的聲接收系統(tǒng)模型是經(jīng)過簡化的, 未使用軟組織的力學(xué)特性、衰減系數(shù), 黏滯系數(shù)等參數(shù). 這與實(shí)際的中華白海豚軟組織有所不同, 不能完全還原中華白海豚的聲接收系統(tǒng). 然而, 從圖4、圖5 和圖6可以看出, 該簡化的模型對于聲接收系統(tǒng)的分析是有效果的, 揭示了中華白海豚聲接收通道的多樣性. 中華白海豚依靠“Jaw hearing”聲接收通道,以及由下頜骨和下頜骨內(nèi)側(cè)脂肪形成的接收通道協(xié)同作用將聲波傳導(dǎo)至聽小骨. 本文的研究能為了解中華白海豚的回聲定位工作機(jī)理提供一定的參考.
感謝自然資源部第三海洋研究所王先艷副研究員提供的討論建議,感謝廈門大學(xué)海洋與地球?qū)W院徐曉輝老師與廈門大學(xué)附屬中山醫(yī)院葉峰醫(yī)生在CT 掃描過程中的幫助.