新的测量技术揭秘蜂鸟翅膀独特声音 可以帮助无人机等设备变得更安静

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蜂鸟因其在花前盘旋觅食时发出的悦耳的嗡嗡声而得名。但直到现在,人们才弄清楚当蜂鸟以每秒40次的速度快速跳动时,翅膀才会发出与蜂鸟名字相同的声音的。来自埃因霍芬科技大学的研究人员和斯坦福大学的研究人员使用12个高速摄像机、6个压力板和2176个麦克风,对蜂鸟进行了细致的观察。他们发现,蜂鸟柔软而复杂的翅膀发出声音的方式与昆虫简单的翅膀类似。这些新发现可能有助于让风扇和无人机等设备变得更安静。

新的测量技术揭秘蜂鸟翅膀独特声音 可以帮助无人机等设备变得更安静

这个工程师小组第一次成功地测量出了飞行动物扇动翅膀所产生声音的精确来源。蜂鸟的嗡嗡声源于翅膀上下两侧的压力差,当翅膀前后拍打时,压力差的大小和方向都会发生变化。这些在机翼上的压力差是至关重要的,因为它们提供了蜂鸟起飞和悬停的净空气动力。


与其他鸟类不同的是,蜂鸟的翅膀在向下和向上运动时都会产生强大的向上空气动力,所以每翼拍两次。而由升力和机翼上的阻力引起的压力差都是产生嗡嗡声的原因,向上升力的压力差是产生嗡嗡声的主要原因。


呜呜声,嗡嗡声和嗖嗖声之间的区别


斯坦福大学教授David Lentink说,这就是鸟类和昆虫发出不同声音的原因。蚊子会发出呜呜声,蜜蜂会嗡嗡叫,蜂鸟会嗡嗡叫,更大的鸟会“嗖嗖”地叫。大多数鸟类是相对安静的,因为它们只在下冲程的翼拍中产生一次大部分升力。蜂鸟和昆虫的噪音更大,因为它们每拍一次翅膀就会发出两次噪音。


研究人员在鸟类和昆虫翅膀的三维声学模型中综合了所有测量结果。这个模型不仅提供了生物学上关于动物拍打翅膀如何发出声音的见解,它还预测了拍打翅膀的空气动力学性能如何使翅膀发出声音的体积和音色。蜂鸟独特的声音被认为是令人愉快的,因为翅膀上不同的空气动力产生了许多‘泛音’。蜂鸟的翅膀类似于一种美妙的调谐乐器,Lentink微笑着解释道。


高科技相机声音


为了建立他们的模型,科学家们检查了6只安娜蜂鸟,这是斯坦福大学最常见的物种。他们一个接一个地让这些鸟在一个特殊的飞行室里喝假花里的糖水。在鸟看不见的房间周围,设置了摄像机、麦克风和压力传感器,以精确记录在花前盘旋时的每一次翼拍。


你不能只是出去从电子商店买到所需的设备。索拉玛公司(TU Eindhoven的子公司)的首席执行官兼研究员里克·斯考特(Rick Scholte)说,为了让声音可见,并能够对其进行详细研究,我们使用了我的公司开发的复杂声音摄像机。为此目的,光学摄像机被连接到一个由2176个麦克风组成的网络。它们的工作原理有点像热成像相机,可以让你显示热成像图像。我们让声音在‘热图’中可见,这使我们能够看到3D声场的细节。


新型气动力传感器


为了解释3D声音图像,有必要了解鸟类翅膀在每个声音测量点的运动情况。为此,斯坦福大学的12台高速摄像机开始发挥作用,逐帧捕捉机翼的精确运动。


Lentink说,但这并不是故事的结束。我们还需要测量蜂鸟翅膀在飞行中产生的空气动力。我们必须为此开发一种新工具。在后续的实验中,六个高度敏感的压力板终于成功记录了机翼上下运动时产生的升力和阻力,这是第一次。


tb级的数据必须同步。研究人员想要确切知道哪种机翼位置产生了哪种声音,以及这与气压差之间的关系。肖特说,因为光的传播速度比声音快得多,我们必须分别校准摄像机和麦克风的每一帧,这样声音记录和图像就会始终准确地对应。由于摄像机、麦克风和传感器都位于房间的不同位置,研究人员还必须对此进行修正。


作为合成艺术家的算法


一旦机翼的位置、相应的声音和压力差与每一帧视频精确对齐,研究人员就面临着解释高容量数据的复杂性。研究人员利用人工智能解决了这一挑战。


维宁斯解释说,我们为此开发了一种算法,可以根据测量结果解释3D声场,这使我们能够确定蜂鸟最可能的声场。这个所谓的反问题的解决方法就像警察的面部合成艺术家所做的那样:用一些线索画出最可靠的嫌疑人画像。这样,你就避免了测量中的一个小失真改变结果的可能性。


研究人员最终设法将所有这些结果浓缩在一个简单的3D声学模型中,这个模型借鉴了飞机世界,从数学上适合于拍打翅膀。它不仅能预测蜂鸟的嗡嗡声,还能预测其他鸟类和蝙蝠的嗖嗖声、昆虫的嗡嗡声和呜咽声,甚至是机器人振翅发出的声音。

新的测量技术揭秘蜂鸟翅膀独特声音 可以帮助无人机等设备变得更安静

使无人驾驶飞机安静


虽然这不是本研究的重点,但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的风扇。新的见解和工具可以帮助制造出像动物一样能产生复杂力量的工程设备,让它们变得更安静。


这正是索拉玛的目标:我们让声音可见,以便让电器更安静。噪音污染正成为一个越来越严重的问题。仅仅一个分贝计不能解决这个问题。你需要知道声音来自哪里,是如何产生的,这样才能消除它。这就是我们的声音摄像机的作用。这个蜂鸟翅膀的研究为我们提供了一个全新的、非常准确的模型作为起点,所以我们可以做得更好,Scholte总结道。


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