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精密控制器揭秘小鸟是如何唱歌的

百科知识中国仪表网2016年01月08日 14:27人气:13503

  【中国仪表网 百科知识】2015年11月27日,《Nature Communications》杂志刊登了一篇C.P.H Elemans博士的最新研究文章,标题为“鸟类与哺乳动物之间通用的发声机制与声音控制”。文章中指出:鸟类与哺乳动物都是通过相同的发声机制——肌弹性气动力(简称MEAD)来发声。研究此项目的关键在于是否能通过控制器官下方与外部压力的方式在鸣管(鸟类身上与人类喉头相似的器官)中模拟发声组织的振动。为了精密控制密闭容器内的压力,C.P.H Elemans博士为此选择了艾里卡特双阀压力控制器。
  

  压力控制推动肌弹性气动力振动
      
  动物的声音是由发声组织每秒钟数百次振动而产生的不连续空气脉冲组成。肌弹性气动力(MEAD)描述了此类振动如何在无活动肌以相同频率共振的情况下得以持续。一般来讲,肌肉的收缩速度最快可达250Hz。在肌弹性气动力理论中,封闭的发声组织下方积聚着一股气压直至压力迫使发声组织开启,其开启与闭合呈不规则状,进入发声组织的空气被其振动切断,由此即发出了声音。振动频率决定了声音的高低,而振动频率取决于进入喉头(哺乳动物称之为喉头,鸟类称之为鸣管)的气体流量以及发声组织的肌张力。
  


艾里卡特双阀压力控制器控制密闭容器内压力
  
  哺乳动物的肌弹性气动力(MEAD)发声机制已被论证,为了证明鸟类也是如此,C.P.H Elemans博士在小鸟的鸣管中模拟了由压力形成的气流。研究团队希望通过精密控制位于发声组织下端的支气管内的压力来测试肌弹性气动力(MEAD)振动的存在。因为鸟类呼吸系统内的多余空间绝对封闭,采用艾里卡特双阀压力控制器无疑是最佳方案。分别控制进气、排气的两个阀门根据实验要求的实时压力,精密有效地控制进入、排出密闭系统的空气流量。  

艾里卡特差压式双阀压力控制器(上图为显示屏外置)
  
注:两个压力传感器均位于正前方
  
  为了不破坏生物结构,实验过程中须将压力控制在一个极低(3kPa与大气压力之间)的范围内。为此,我们决定在压力控制器中内置一压差传感器,其中一个远程传感器端口连接小鸟的支气管,另一个通大气。也就是说,即便实验过程中支气管的压力会发生微小的变化,但相对于当地大气压而言却始终保持不变。兼容模拟量控制、数字信号控制于一体的艾里卡特双阀压力控制器,轻而易举地便帮助项目团队使小鸟的鸣管处于支气管升压状态下。
  
  压力控制空间和冗余
    
  除了验证鸟类的肌弹性气动力(MEAD)发声机制,C.P.H Elemans博士还想知道鸟类发声是源自于唯一的肌肉指令还是一个冗余的控制空间。为此,研究团队在鸣管处于支气管升压状态下并伴随肌肉刺激源变化的同时,还不断变化着环绕在鸣管周围的锁间气囊(简称ICAS)的压力。项目组又另外采用一台双阀压力控制器模拟跟支气管腔体内压力范围相同的1-3 kPa(G)的锁间气囊(ICAS)的压力。研究团队发现在两个压力区(以及肌肉刺激源)内的多种压力组合能产生相同的基频,对肌弹性气动力(MEAD)来说是一种常见的冗余特性。
  
  值得注意的是,C.P.H Elemans博士发现维持发声组织振动的空气动力并非由声道内空气柱的质量惯性产生,而是由发声组织波动而形成的压力差产生,维持气体进入发声组织必不可少的高、低压力交替并非由进入鸟儿喉咙的空气量在喉咙下端形成一低压区直至发声组织再次开启形成,而是靠组织边缘的波动在鸣管内形成必需的压力变化。
(本文来源:艾里卡特转载请注明出处
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