生物声学

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摘要

介绍生物声学的发展史,研究的基本内容,以及与仿生技术。

长期以来,人们出于在空间和水下探测中应用仿生学的强烈兴趣,对蝙蝠和海豚的超声定位系统给予了特殊的注意为了分析研究它们的发声信号,建立和发展了必要的理论模型和数学方法。

蝙蝠用喉头发射超声,并用耳朵接收其反射回波,从而构成超声探测系统。发射的超声频率可高达10万赫(菊头蝙科)。实验表明,挖去双眼的蝙蝠借助其超声定位系统可探查到0.1毫米的金属丝障碍物,可在半秒内捕捉到三个飞行中的昆虫。

海豚也有极强的超声定位本领,而且还发现海豚在相互交往时使用七种不同的发声并以长短不同的间歇相组合。科学家预言,一旦这些声信息破译后,就可通过电子技术实现人与海豚之间的对话。

20世纪中期以来,人们使用兆赫级超声波对哺乳动物的组织和器官的超声性质(速度、衰减、吸收、声阻抗、散射等)做了大量研究,为现代医学超声工程奠定了基础。70年代以来,以B型超声成像为代表的医学超声诊断技术取得了很快的发展。它通过实时显示人体内脏的瞬态特性,直接向人们提供有关脏器的生理或病理信息。超声诊断由于安全、简单、经济、信息量丰富而受到医学界的特别赏识。

作为生物物理学和分子生物学的组成部分,微观生物声学正在发展中。对各种氨基酸、寡肽、多肽、蛋白质及脱氧核糖核酸等生物大分子水溶液的超声弛豫吸收机制做了较深入的研究。在生物大分子构像变化、质子转移动力学及生物大分子与水分子间的相互作用等方面,也都取得了有价值的研究成果。

声波作用于生物体对其产生某种影响称为声波的生物效应。大量试验表明,用一定频率和剂量的声波处理蔬菜、谷物、中草药及树木的种子常常可获得明显的增产效果。

生物声学与人类生活和生产活动息息相关。播放模拟蝙蝠叫声,驱逐夜蛾,可提高玉米产量;控制海洋生物声场可以判断鱼群的位置、种类及数量,利用电子发声器引诱鱼群定向聚集,可以提高捕鱼量;飞机场安装驱鸟器会大大改善飞机的飞行安全;粮仓内安装驱鼠器可使粮食免受鼠害等等。

人们往往成功地利用地震前动物的异常表现来预报地震的爆发,而这些动物的异常反应很可能是由地下岩石剧烈活动时发出的次声引起的;仿照水母耳做成的台风警报器可提前15小时准确地预报台风的方位和强度;仿照蝙蝠的声系统制成的声呐“眼镜”可以帮助盲人辨认出面前的电线杆、台阶以及草地中的羊肠小道。

对哺乳动物组织超声传播和相互作用的深入研究,必然会找到描述组织生理特性的、更多的声学特征参量(如声速、声衰减、非线性参量等),建立和发展新的诊断设备,开拓定量超声诊断的途径。并可使超声医疗在更严格的科学基础上得到进一步发展。

与仿生技术

生物声学与人类生活和生产活动息息相关。播放模拟蝙蝠叫声,驱逐夜蛾,可提高玉米产量;控制海洋生物声场可以判断鱼群的位置、种类及数量,利用电子发声器引诱鱼群定向聚集,可以提高捕鱼量;飞机场安装驱鸟器会大大改善飞机的飞行安全;粮仓内安装驱鼠器可使粮食免受鼠害等等。

次声波波长长,在大气中传播时不易衰减且极易衍射,故可传播很远,据此可探测遥远位置的自然灾害,提前预报。有趣的是,有些动物如水母对台风的次声波感觉灵敏,它们可在台风来临前的数小时潜入深海;仿照水母“耳”做成的台风警报器可提前15小时准确地预报台风的方位和强度。人们往往成功地利用地震前动物的异常表现来预报地震的爆发,而这些动物的异常反应很可能是由地下岩石剧烈活动时发出的次声引起的。

  • 本文由 发表于 2020年3月16日
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