新的测量技术揭示了赋予蜂鸟翅膀独特声音的原因风扳机

新的测量技术揭示了赋予蜂鸟翅膀独特声音的原因

蜂鸟以其令人愉悦的蜂鸣声而得名，它徘徊在花丛中觅食。但是直到现在，才知道当机翼以每秒40拍的速度快速跳动时，机翼如何产生蜂鸟的同名声音。

埃因霍温科技大学，Sorama（一家TU / e衍生公司）和斯坦福大学的研究人员使用12个高速摄像头，6个压板和2176个麦克风精心观察了蜂鸟okmart.com。

他们发现，蜂鸟柔软而复杂的羽毛翅膀产生声音的方式类似于简单的昆虫翅膀。新的见解可以帮助使风扇和无人机等设备更安静。

工程师团队首次成功测量了由飞行动物的拍打翅膀产生的声音的精确来源。蜂鸟的嗡嗡声源于机翼顶侧和底侧之间的压力差，当机翼来回摆动时，压力差在大小和方向上都会发生变化。机翼上的这些压力差至关重要，因为它们提供了使蜂鸟能升起并盘旋的净空气动力。

与其他种类的鸟类不同，蜂鸟的机翼在向下和向上的机翼冲程中均产生强大的向上空气动力，因此每个机翼节拍两次。尽管由于作用在机翼上的升力和曳力造成的压力差都起作用，但事实证明，向上的升力差是嗡嗡声的主要来源。

抱怨，嗡嗡声，嗡嗡声和呜呜声之间的区别

斯坦福大学的David Lentink教授说：“这就是鸟类和昆虫发出不同声音的原因。蚊子发出的呜呜声，蜜蜂的嗡嗡声，蜂鸟的嗡嗡声和较大的鸟类“嗡嗡”。大多数鸟类相对安静，因为它们只产生一次大部分的升力在下风时的机翼拍打中。蜂鸟和昆虫的噪音更大，因为它们每下机翼拍两次。”

研究人员将所有测量结果合并到鸟类和昆虫翅膀的3D声学模型中。该模型不仅可以洞察动物如何通过拍打的翅膀产生声音，还可以预测拍打的翅膀的空气动力学性能如何使拍打的声音具有音量和音色。Lentink笑着解释说：“由于机翼上不断变化的空气动力产生的许多“泛音”，蜂鸟的声音令人愉悦。蜂鸟的机翼类似于精美的乐器。”

高科技声像机

为了得出他们的模型，科学家检查了六只安娜的蜂鸟，这是斯坦福大学附近最常见的物种。他们让鸟类在一个特殊的飞行室内从假花中逐一喝糖水。在密室周围，鸟类看不见，设置了摄像头，麦克风和压力传感器，以精确记录每只翅膀的动静，同时将其悬停在花的前面。

您不能只是出去从电子商店购买所需的设备。Sorama的首席执行官兼研究员Rick Scholte是埃因霍温TU的一个分支机构：“为了使声音可见并能够对其进行详细检查，我们使用了我公司开发的精密声像机。光学摄像头已连接到由2176个麦克风。它们一起工作时有点像热像仪，可让您显示热像。我们在“热图”中显示声音，使我们能够详细查看3D声场。”

新型空气动力传感器

要解释3D声音图像，必须知道鸟的翅膀在每个声音测量点处正在执行什么动作。为此，斯坦福大学的十二个高速相机开始发挥作用，逐帧捕获精确的机翼运动。

Lentink：“但这还不是故事的结局。我们还需要测量蜂鸟的翅膀在飞行中产生的空气动力。我们必须为此开发一种新的仪器。” 在后续实验中，六个高度敏感的压力板最终设法记录了机翼在上下移动时产生的升力和阻力，这是第一次。

然后必须同步TB级的数据。研究人员想确切地知道哪个机翼位置会产生哪种声音，以及这与压力差之间的关系。Scholte：“因为光的传播速度比声音快得多，所以我们必须分别校准摄像机和麦克风的每一帧，以使录音和图像始终保持准确一致。” 由于摄像机，麦克风和传感器都位于房间的不同位置，因此研究人员还必须对此进行校正。

作为合成艺术家的算法

一旦机翼位置，相应的声音和压力差针对每个视频帧精确对准，研究人员就面临着解释大量数据的复杂性。研究人员利用人工智能，TU / e博士生的研究以及共同第一作者Patrick Wijnings应对了这一挑战。

Wijnings：“为此我们开发了一种算法，可以从测量结果中解释3D声场，这使我们能够确定蜂鸟的最可能的声场。这个所谓的逆问题的解决方案类似于警察的面部复合材料。美工确实做到了：利用一些线索来制作最可靠的嫌疑人画图。这样，您就可以避免测量中的微小失真会改变结果的可能性。”

研究人员最终设法将所有这些结果压缩到一个简单的3D声学模型中，该模型是从飞机世界中借来的，并且在数学上适合于拍打机翼。它可以预测拍打翅膀散发出的声音，不仅是蜂鸟的嗡嗡声，还可以是其他鸟类和蝙蝠的嗡嗡声，昆虫的嗡嗡声和抱怨声，甚至还有拍打翅膀的机器人发出的噪音。

使无人机更安静

尽管这不是本研究的重点，但所获得的知识也可能有助于改善飞机和无人机的旋翼以及笔记本电脑和吸尘器风扇。新的见解和工具可以帮助制造出能够像动物一样安静地产生复杂力量的工程设备。

这正是Sorama的目标：“我们使声音可见，以使电器更安静。噪声污染正成为一个日益严重的问题。仅分贝计就无法解决这个问题。您需要知道声音在哪里这是我们的声像机的用途。蜂鸟的机翼研究为我们提供了一个全新且非常准确的模型作为起点，因此我们甚至可以开展工作更好。” Scholte总结道。

这项研究于3月16日发表在eLife杂志上，标题为“振荡的空气动力如何解释拍打飞行中蜂鸟的嗡嗡声和其他动物的音色”。

这项研究的实验和分析工作是由埃因霍温大学的博士生Patrick Wijnings在Sorama的Rick Scholte和TU / e的Sander Stuijk和Henk Corporaal的指导下，以及斯坦福大学的博士生Ben Hightower在David Lentink的指导下进行的在Lentink实验室的四位合著者的协助下，由斯坦福大学的研究人员组成：Rivers Ingersoll，Diana Chin，Jade Nguyen和Daniel Shorr。这项研究由NWO Perspectief计划零和职业奖国家科学基金会（NSF）资助。

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