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涡街流量计

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新型涡街流量计用闭体积压力控制复制鸟叫

来源:作者:发表时间:2019-08-29

Coen Elemans博士等人在Nature Communications杂志上发表的一项新研究(2015年11月27日出版的“ 鸟类和哺乳动物声音生产和控制的通用机制 ”)发现,鸟类和哺乳动物使用相同的声音生成机制 -肌力 - 空气动力学(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的压力来复制syrinx中的组织振荡(语音盒,鸟类与我们的喉部相关)。为此,Elemans博士选择了Alicat的涡街流量计,因为它们具有精确的精度和封闭容积内的控制。
 
压力控制可以激活MEAD振荡
动物声音由由声带组织的振荡产生的离散的空气脉冲组成,其可以以每秒几百次的频率发生。肌力 - 空气动力学(MEAD)机制描述了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厌倦。(已知最快的肌肉收缩速度不能超过250赫兹。)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它们打开。然而,组织不对称地打开和关闭,并且通过的空气被其振荡切碎,发出声音。振荡的频率决定声音的音调,振荡频率由通过语音盒的流速决定(哺乳动物的喉部,为了确定MEAD是否在鸟类中起作用,因为它已被证明在哺乳动物中起作用,Elemans博士的团队必须通过syrinx复制压力诱导的气流。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。由于鸟类呼吸系统的其余部分实际上是无效的,因此Alicat的涡街流量计(PCD)是完美的解决方案。PCD的两个阀门允许它根据需要通过在封闭系统中添加或移除空气来维持所需的精确压力。
 
研究小组还需要控制相当低的正压力(高达3 kPa,或0.4 psi,高于大气压),以防止对生物结构的破坏。为此,Alicat指定在涡街流量计内使用差压传感器。两个遥感端口中的一个垂直于鸟的支气管气道,而另一个则向大气开放。这意味着支气管压力始终以精确的局部大气压为参考,无论整个实验中它的变化有多么微小。集成的模拟和数字控制信号使团队可以轻松地将syrinx置于支气管压力斜坡上。
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压力控制空间和冗余
除了在鸟类中证明MEAD的操作之外,Elemens博士还想确定鸟类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瘘管的锁骨间气囊(ICAS)压力,同时使睫状体受到支气管压力斜坡和不同程度的肌肉刺激。使用第二PCD来改变模拟的ICAS压力,其在与支气管体积相同的1-3kPa(G)范围内。研究小组发现,两个压力区域内的多种压力组合(以及肌肉刺激)能够产生相同的基频,这是MEAD常见的冗余特征。
 
值得注意的是,Elemens博士的团队发现,维持声带组织振荡的空气动力学发动机不是由“声道中气柱的质量惯性,而是由组织波引起的声门内压力变化”产生的(第6页)研究)。保持通过声带组织流动所需的低压和高压的交替不是由于鸟的喉部向上移动的空气质量引起的,从而在其后面形成低压区域直到组织再次打开。相反,组织边缘的波动在syrinx内产生必要的压力变化。
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