埃因霍温理工大学 安娜的蜂鸟在实验装置中飞翔，喝着假花中的糖水
学分:香菇实验室/斯坦福大学
蜂鸟以它盘旋在花朵前觅食时发出的嗡嗡声命名
但直到现在，当蜂鸟以每秒40次的速度快速跳动时，翅膀是如何产生与蜂鸟同名声音的才变得清晰起来
来自埃因霍温理工大学、索拉玛(一家TU/e衍生公司)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个麦克风仔细观察蜂鸟
他们发现蜂鸟柔软复杂的羽状翅膀发出声音的方式类似于昆虫简单的翅膀
新的见解可能有助于让风扇和无人机等设备更安静
工程师团队首次成功地测量出飞行动物拍动翅膀产生声音的精确来源
蜂鸟的嗡嗡声源于翅膀顶部和底部之间的压差，当翅膀来回拍打时，压差的大小和方向都会发生变化
机翼上的这些压差是至关重要的，因为它们提供了净空气动力，使蜂鸟能够起飞和盘旋
与其他鸟类的翅膀不同，蜂鸟的翅膀在向下和向上拍打翅膀的过程中都会产生强大的向上空气动力，因此每次拍打翅膀都会产生两次
尽管作用在机翼上的升力和阻力所产生的压力差有所贡献，但事实证明，向上的升力压力差是嗡嗡声的主要来源
呜呜声、嗡嗡声、嗡嗡声和嗖嗖声的区别 斯坦福大学的大卫·林丹克教授说:“这就是鸟类和昆虫发出不同声音的原因
蚊子呜呜叫，蜜蜂嗡嗡叫，蜂鸟嗡嗡叫，更大的鸟汪汪叫
“大多数鸟类相对来说比较安静，因为它们只在下冲程拍打翅膀时产生一次大部分升力
蜂鸟和昆虫更吵，因为它们每拍一次翅膀就发出两次声音
" 研究人员将所有测量结果结合在一个鸟和昆虫翅膀的3D声学模型中
该模型不仅提供了动物如何用扑翼产生声音的生物学见解，还预测了扑翼的空气动力学性能如何为翅膀声音提供音量和音色
“蜂鸟独特的声音被认为是令人愉快的，因为机翼上不同的空气动力产生了许多‘弦外之音’
“蜂鸟的翅膀类似于一种调谐良好的乐器，”香菇克解释道
高科技声音摄像机 为了得到他们的模型，科学家们研究了六只安娜蜂鸟，这是斯坦福附近最常见的物种
他们一个接一个地让鸟儿在一个特殊的飞行舱里喝假花里的糖水
在鸟看不到的房间周围，摄像机、麦克风和压力传感器被设置成精确记录在花前盘旋时的每一次翅膀跳动
你不能就这样出去从电子商店里买这需要的设备
索拉马公司的首席执行官兼研究员里克·肖特说:“为了让声音清晰可见，并能够对其进行详细检查，我们使用了我们公司开发的复杂的声音摄像机
为此，光学摄像机连接到2176个麦克风的网络
它们一起工作有点像热感相机，可以让你显示热感图像
我们使声音在“热图”中可见，这使我们能够详细地看到3D声场
" 新型空气动力传感器 为了解释3D声音图像，了解鸟的翅膀在每个声音测量点的运动是很重要的
为此，斯坦福的12台高速摄像机开始发挥作用，逐帧捕捉准确的机翼运动
香菇说，“但这不是故事的结尾
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的工具
“在随后的实验中，六个高度敏感的压力板终于设法记录了机翼上下运动时产生的升力和阻力，这是第一次
然后必须同步万亿字节的数据
研究人员想知道哪一个机翼位置产生哪种声音，以及这与压力差有什么关系
肖尔特:“因为光的传播速度比声音快得多，所以我们必须分别校准摄像机和麦克风的每一帧，这样录音和图像才能始终保持一致
“因为摄像机、麦克风和传感器都在房间的不同位置，研究人员也必须对此进行校正
作为合成艺术家的算法 一旦每个视频帧的机翼位置、相应的声音和压力差精确对齐，研究人员就面临着解释大量数据的复杂性
研究人员利用人工智能解决了这一挑战，人工智能是TU/e博士的研究
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学生，第一作者帕特里克·威宁斯
Wijnings:“我们为此开发了一种算法，可以根据测量结果解释三维声场，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案类似于一个警察面部合成艺术家所做的:使用一些线索来做出最可靠的嫌疑犯画像
这样，您就避免了测量中的微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，该模型借鉴了飞机世界，并在数学上适用于扑翼
它预测扑翼发出的声音，不仅是蜂鸟的嗡嗡声，还有其他鸟类和蝙蝠的汪汪声，昆虫的嗡嗡声和哀鸣声，甚至还有扑翼机器人产生的噪音
让无人机更安静 虽然这不是本研究的重点，但获得的知识也可能有助于改进飞机和无人机旋翼以及笔记本电脑和真空吸尘器风扇
新的见解和工具有助于制造能产生像动物一样的复杂力量的工程设备
这正是索拉玛的目标:“我们让声音可见是为了让电器更安静
噪音污染正成为一个越来越大的问题
单单一个分贝表并不能解决这个问题
你需要知道声音来自哪里，如何产生，以便能够消除它
这就是我们的声音摄像机的用途
这项蜂鸟翅膀的研究给了我们一个全新的非常精确的模型作为起点，所以我们可以做得更好，”肖尔特总结道
这项研究发表在3月16日的《电子生活》杂志上，标题是“振动的空气动力如何解释蜂鸟和其他动物在扑动飞行中的嗡嗡声”
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