062022.04
在封闭系统中利用压力复制鸟鸣
肌弹性空气动力理论
在封闭系统中利用压力复制鸟鸣

鸟是怎样唱歌的?事实证明,就像你和我一样。经研究发现,鸟类和哺乳动物使用相同的声音产生物理机制:肌弹性空气动力理论(MEAD)机制。这项研究的关键是能够通过精细控制该器官下方和外部封闭系统中的压力来复制与我们的喉部相关的鸟类或喉咙中的组织振荡。为了获得这种控制,研究使用了的压力比例阀,以实现其在封闭体积内的高精度和控制。

压力控制激发 MEAD 振荡
动物的声音是由声带组织以每秒几百次的频率振荡产生的离散空气脉冲组成的。 MEAD 机制描述如何在不需要以相同频率进行主动肌肉振动的情况下维持这些振荡,这肯定会使任何动物感到疲倦(已知最快的肌肉不能以超过 250 Hz 的速度收缩。) 在 MEAD 理论中,气压在闭合的声带组织下方建立,直到有足够的压力迫使组织打开。组织不对称地打开和关闭,通过的空气被它的振荡切断并发出声音。振动的频率决定了声音的音高,而振动频率由通过喉咙的流速和其组织的肌肉张力决定。


因为MEAD已被证明在哺乳动物中发挥作用,为了确定 MEAD 是否在鸟类中发挥作用,研究团队必须复制压力引起的气流通过鸟鸣管
该团队希望精确控制声带组织下方支气管气道的压力,以测试 MEAD 振荡的存在。由于家禽呼吸系统的其余部分实际上是死胡同,我们的的压力比例阀是完美的解决方案。允许设备通过需要从体积中添加或去除空气来维持封闭系统中的精确压力。产品介绍请参阅 https://www.genndih.com/chs/%E5%A3%93%E5%8A%9B%E6%AF%94%E4%BE%8B%E9%96%A5.htm
研究小组还需要控制高达 3 kPA (0.4 PSIG) 的低正压,以防止对他们正在研究的生物结构造成损害。为此指定在压力比例控制器中,使用差压传感器。其中一个遥感端口与鸟的支气管相连,另一个则向大气开放。这使得支气管压力能够不断地参考当地的大气压,无论它在整个实验过程中有多么微小的变化。集成的模拟和数字控制信号使团队可以轻松地将注射器置于支气管压力斜面上。

结论:压力控制空间和冗余
除了证明 MEAD 在鸟类中的作用外,研究小组还想确定鸟类的发声是由独特的肌肉命令还是冗余控制空间引起的。为了测试这一点,研究小组改变了围绕鸟鸣管间气囊 (ICAS) 压力,同时使空腔受到支气管压力斜坡和不同程度的肌肉刺激。第二个 PCD 用于在与支气管体积相同的 1-3 kPa 范围内改变模拟 ICAS 压力。
研究小组发现,两个压力区间的多种压力组合以及肌肉刺激能够产生相同的基本频率,这是 MEAD 常见的冗余特征。
值得注意的是,研究团队还发现维持声带组织振荡的空气动力引擎不是由“声道中气柱的质量惯性产生的,而是由组织波引起的声门内压力变化”。交替的低压和高压以保持通过声带组织的流动不是由大量空气向上移动到鸟的喉咙引起的。相反,组织边缘的波动会在空洞内产生必要的压力变化。这在封闭系统中产生了一个低压区域,直到组织再次打开。