人类要从自然界的生物中获得创新的灵感,首先需要研究生物的生理结构和功能原理与现有技术设备之间是否存在着共同的特性。蝙蝠是哺乳动物中最为常见的一种生物,也是仿生科学普遍研究的一种生物,蝙蝠在其适应自然界的进化过程中,进化出了一套高效的超声回声定位系统。近些年的研究结果表明,时变系统的物理机制时刻存在于菊头蝠的超声声纳系统中,特别是菊头蝠的超声产生,超声发射和超声接收阶段的关键的物理机制中。蝙蝠的超声脉冲遵循一个标准的哺乳动物机制,这种机制是由双膜和肺部所产生的高压气流之间的流体结构相互作用组成。迄今为止,相对于人造超声发生器,蝙蝠具有其独特和无与伦比的声学特征：蝙蝠的体积小,可发出高强度,可重复性和高可靠性的超声波,故其超声产生能力更为突出。所有这些过程都是随时间变化的物理过程,从声纳信号的时间频率模式上看是显而易见的。现在已普遍获得认可的是,声纳脉冲中的频率调制是声带张力变化的结果。此外,已经被证明蝙蝠利用快速肌肉这一特殊类型,以便能够在持续的声纳脉冲中变化声带的张力,例如在毫秒级别的刻度上。因此,蝙蝠的超声是由时变物理过程和时变的波包通过蝙蝠声纳通信信道的剩余部分产生的,他们可能引发更多的时变影响。因此,声音的产生机理可以看做是一个级联的时变机制,其中一方面是由前方的时变行为触发,另一方面为具有独立声源的时变行为,具有独立声源的时变行为可能与前方传递过来的时变效应相互作用。蝙蝠的声纳系统包括蝙蝠超声的产生,发射和接收等过程。因为时变行为的重点是蝙蝠超声的产生,为了更好地理解蝙蝠超声产生物理原理,我们创建蝙蝠喉部和声道数字几何模型(通过微型CT扫描),来研究蝙蝠超声产生的过程。蝙蝠利用喉部的声带开闭进行发声,由声带产生的超声波通过具有滤波功能的声道进行传播,声道具有复杂的内部结构,其内部各个腔体对超声的传输均有着作用。不同于传统的生物学上对蝙蝠声纳系统的研究方法,本文中我们用数值模拟计算的方法对蝙蝠的声道进行了声学方面的研究,数值模拟分析方法,是计算机技术与数学建模相结合的新的科学研究方法,越来越普遍的用于科学仿真和工程设计。运用数值计算方法研究仿生的问题,最关键的环节是对研究的模型进行建模,首先,我们利用X射线微型CT扫描仪对蝙蝠样品进行扫描,通过重构算法得到蝙蝠的断层图像,断层图像包含了蝙蝠的内部信息,对这些图像进行高斯滤波和二值化处理,可以得带蝙蝠声道的数字信息,借用VTK三维建模方法得到声道的三维数值模型。蝙蝠三维模型中不同的灰度值表示不同的蝙蝠组织,经过布尔逻辑运算,填充蝙蝠声道内的腔体,可以得到蝙蝠不同的内在结构。其次,网格化的三维数字结构可以用于有限单元法的数值计算,求解声场的亥姆霍兹方程,得到声道内部的声场分布,分析蝙蝠声道内部声压强度的变化,可以得到声道内部结构的声学特性。实验结果表明蝙蝠的声道在超声传输过程中起着滤波的作用,对蝙蝠声纳脉冲信号的二次谐波起着增强的作用,而对其它频段的信号起着抑制的作用,蝙蝠的内部腔体在超声传输过程中起着各自不同的作用。鼻腔主要影响声道传输特性曲线的峰值和波峰的中心频率,而下声门气管壁上的侧腔起着赫姆霍兹共振腔的作用,对向气管传输的超声起着抑制的作用,在其共振频率附近,气管内超声的能量大多进入气管壁上的侧腔内,阻止了向后传输的超声的大部分能量进入肺部,保护了蝙蝠的听觉系统和内部器官。