超过2000个麦克风帮助发现蜂鸟的嗡嗡声

蜂鸟命名其愉快的嗡嗡的声音盘旋在花前。但只有现在成为清楚生成蜂鸟的翅膀同名的声音跳动时迅速以每秒40次。埃因霍温科技大学的研究人员,Sorama涂/ e分拆公司,和斯坦福大学精心使用12高速摄像机观察蜂鸟,压力板和2176麦克风。他们发现,蜂鸟的软而复杂的羽毛翅膀产生声音的方式类似于简单的翅膀的昆虫。新见解有助于使设备像球迷和无人机安静。

的工程师团队成功地测量产生的声音的确切起源拍动翅膀的动物首次飞行。蜂鸟的嗡嗡声源于上部和底部之间的压力差的翅膀,既变化在大小和方向来回拍打翅膀。这些压力差异翼是至关重要的,因为他们提供净气动力允许蜂鸟鸟起飞,翱翔。

与其他种类的鸟,一只蜂鸟的翅膀产生强烈的向上气动力在向下和向上翼中风,所以每一扑棱的两倍。而压力差异由于升力和阻力作用于机翼贡献,事实证明,向上提升压差是主要来源的嗡嗡声。

抱怨的区别,嗡嗡作响,嗡嗡作响,嗖嗖

斯坦福大学的大卫·Lentink教授:“这是鸟类和昆虫发出不同的声音的原因。蚊子发牢骚,蜜蜂嗡嗡声,蜂鸟哼,和大鸟“嗖”。大多数鸟类相对安静,因为它们产生的大部分电梯向下的一扑棱期间只有一次。蜂鸟和昆虫是吵着每一扑棱,因为他们这样做两次。”

研究人员结合所有测量三维声学模型的鸟类和昆虫的翅膀。模型不仅提供生物了解动物如何产生声音的拍打翅膀,它还预测如何扑翼的气动性能给出了翼声音音量和音色。“蜂鸟的独特的声音被认为是愉快的,因为许多不同的“色彩”由空气动力翼。蜂鸟翅膀类似于优美的调整工具,”Lentink笑着解释道。

高科技相机声音

到达他们的模型,科学家检测了6个安娜的蜂鸟,最常见的物种在斯坦福大学。他们一个接一个地从一个假鸟喝糖水室花在一个特殊的飞行。室,鸟不可见,摄像头,麦克风和压力传感器是建立精确记录每一扑棱,徘徊在花前。

你不能去买所需的设备从电子商店。Sorama的CEO和研究员里克他屠埃因霍温的副产品:“可见的声音和能够详细检查它,我们用相机由我公司开发的复杂的声音。2176年的光学相机连接到一个网络为此麦克风。他们一起工作有点像热感摄像机,允许您显示热图像。我们可见的声音“热图”,使我们能够看到三维声场的细节。”

新的气动力传感器

解释3 d声音图像,必须知道运动鸟的翅膀让每个声音测量。,斯坦福的十二个高速摄像机,获取准确的机翼运动帧。

Lentink:“但这并不是故事的结束。我们还需要测量蜂鸟的翅膀产生的空气动力飞行。我们必须开发一个新的工具。”During a follow-up experiment six highly sensitive pressure plates finally managed to record the lift and drag forces generated by the wings as they moved up and down, a first.

然后,tb的数据必须是同步的。研究人员想知道哪些翼位置产生声音和这个相关的压力差异。他:“因为光比声音传播快得太多,我们不得不调整每一帧分别对摄像机和麦克风,所以录音和图片总是对应到底。”Because the cameras, microphones and sensors were all in different locations in the room, the researchers also had to correct for that.

算法作为一个复合的艺术家

一旦机翼位置,相应的声音和压力差异正是为每个视频帧对齐,研究人员面对复杂的证明高容量及数据。利用人工智能研究人员解决这个挑战,你/ e博士生的研究,和co-first作者帕特里克Wijnings。

Wijnings:“我们开发了一个算法,可以把一个三维声场的测量,这使我们能够确定最可能的蜂鸟的声场。这种所谓的逆问题的解决方案类似于什么警察面部复合艺术家:使用一些线索最可靠的嫌犯。通过这种方式,可以避免小变形测量的可能性变化结果。”

研究人员终于凝结所有这些结果在一个简单的3 d声学模型,借用飞机和数学的世界适应拍打翅膀。它预测拍打翅膀的声音辐射,不仅蜂鸟的嗡嗡声,而且其他鸟类和蝙蝠的咳,昆虫的嗡嗡声和抱怨,甚至机器人与扇动翅膀产生的噪音。

使无人驾驶飞机安静

虽然它不是本研究的焦点,获得的知识也可以帮助提高飞机和无人机转子以及笔记本和吸尘器的粉丝。新见解和工具可以帮助工程设备生成复杂的力量像动物一样安静。

这正是Sorama目标:“我们使声音可见为了使电器安静。噪音污染正成为一个越来越大的问题。和一个分贝计本身并不能解决。你需要知道的声音是从哪里来的,以及它是如何产生,为了能够消除它。这是我们的相机的声音。这个蜂鸟翅膀的研究给了我们一个全新的和非常准确的模型作为起点,我们可以做更好的工作,”他总结道。

参考:BJ, Wijnings PWA,他R, et al .振动空气动力如何解释的音色蜂鸟的嗡嗡声和其他动物扑飞行。eLife。2021;10:e63107。doi:10.7554 / eLife.63107

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