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控制密閉系統(tǒng)內(nèi)壓力模擬小鳥唱歌
你知道小鳥是如何唱歌的嗎？原來跟我們差不多！
《Nature Communications》雜志刊登了一篇C.P.H Elemans博士的最新研究文章，標(biāo)題為“鳥類與哺乳動物之間通用的發(fā)聲機制與聲音控制”。文章中指出：鳥類與哺乳動物都是通過相同的發(fā)聲機制——肌彈性氣動力（簡稱MEAD）來發(fā)聲。研究此項目的關(guān)鍵在于是否能通過控制器官下方與外部壓力的方式在鳴管（鳥類身上與人類喉頭相似的器官）中模擬發(fā)聲組織的振動。為了精密控制密閉容器內(nèi)的壓力，C.P.H Elemans博士為此選擇了ALICAT雙閥壓力控制器。
期刊原文圖1部分截圖 展示了MEAD振動過程
壓力控制推動肌彈性氣動力振動
動物的聲音是由發(fā)聲組織每秒鐘數(shù)百次振動而產(chǎn)生的不連續(xù)空氣脈沖組成。肌彈性氣動力(MEAD)描述了此類振動如何在無活動肌以相同頻率共振的情況下得以持續(xù)。一般來講，肌肉的收縮速度最快可達(dá)250Hz。在肌彈性氣動力理論中，封閉的發(fā)聲組織下方積聚著一股氣壓直至壓力迫使發(fā)聲組織開啟，其開啟與閉合呈不規(guī)則狀，進(jìn)入發(fā)聲組織的空氣被其振動切斷，由此即發(fā)出了聲音。振動頻率決定了聲音的高低，而振動頻率取決于進(jìn)入喉頭（哺乳動物稱之為喉頭，鳥類稱之為鳴管）的氣體流量以及發(fā)聲組織的肌張力。
ALICAT雙閥壓力控制器控制密閉容器內(nèi)壓力
哺乳動物的肌彈性氣動力(MEAD)發(fā)聲機制已被論證，為了證明鳥類也是如此，C.P.H Elemans博士在小鳥的鳴管中模擬了由壓力形成的氣流。研究團(tuán)隊希望通過精密控制位于發(fā)聲組織下端的支氣管內(nèi)的壓力來測試肌彈性氣動力(MEAD)振動的存在。因為鳥類呼吸系統(tǒng)內(nèi)的多余空間絕對封閉，采用ALICAT雙閥壓力控制器無疑是最佳方案。分別控制進(jìn)氣、排氣的兩個閥門根據(jù)實驗要求的實時壓力，精密有效地控制進(jìn)入、排出密閉系統(tǒng)的空氣流量。
ALICAT差壓式雙閥壓力控制器(上圖為顯示屏外置)
注：兩個壓力傳感器均位于正前方
為了不破壞生物結(jié)構(gòu)，實驗過程中須將壓力控制在一個極低(3kPa與大氣壓力之間)的范圍內(nèi)。為此，我們決定在壓力控制器中內(nèi)置一壓差傳感器，其中一個遠(yuǎn)程傳感器端口連接小鳥的支氣管，另一個通大氣。也就是說，即便實驗過程中支氣管的壓力會發(fā)生微小的變化，但相對于當(dāng)?shù)卮髿鈮憾詤s始終保持不變。兼容模擬量控制、數(shù)字信號控制于一體的ALICAT雙閥壓力控制器，輕而易舉地便幫助項目團(tuán)隊使小鳥的鳴管處于支氣管升壓狀態(tài)下。
期刊原文圖6部分截圖
展示了冗余壓力控制空間
壓力控制空間和冗余
除了驗證鳥類的肌彈性氣動力(MEAD)發(fā)聲機制，C.P.H Elemans博士還想知道鳥類發(fā)聲是源自于唯一的肌肉指令還是一個冗余的控制空間。為此，研究團(tuán)隊在鳴管處于支氣管升壓狀態(tài)下并伴隨肌肉刺激源變化的同時，還不斷變化著環(huán)繞在鳴管周圍的鎖間氣囊(簡稱ICAS)的壓力。項目組又另外采用一臺雙閥壓力控制器模擬跟支氣管腔體內(nèi)壓力范圍相同的1-3 kPa(G)的鎖間氣囊(ICAS)的壓力。研究團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)在兩個壓力區(qū)(以及肌肉刺激源)內(nèi)的多種壓力組合能產(chǎn)生相同的基頻，對肌彈性氣動力(MEAD)來說是一種常見的冗余特性。
值得注意的是，C.P.H Elemans博士發(fā)現(xiàn)維持發(fā)聲組織振動的空氣動力并非由聲道內(nèi)空氣柱的質(zhì)量慣性產(chǎn)生，而是由發(fā)聲組織波動而形成的壓力差產(chǎn)生(參見論文第6頁)，維持氣體進(jìn)入發(fā)聲組織必不可少的高、低壓力交替并非由進(jìn)入鳥兒喉嚨的空氣量在喉嚨下端形成一低壓區(qū)直至發(fā)聲組織再次開啟形成，而是靠組織邊緣的波動在鳴管內(nèi)形成必需的壓力變化。
本文關(guān)于壓力控制器的應(yīng)用是一項將空氣動力學(xué)應(yīng)用在動物身上的很棒的研究項目。如果您也想利用ALICAT質(zhì)量流量計、質(zhì)量流量控制器、壓力控制器將手中的研究計劃變成現(xiàn)實？請聯(lián)系我們。
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