你知道小鳥是如何唱歌的嗎？原來跟我們差不多！

著名學(xué)術(shù)雜志《NatureCommunications》于2015年11月27日刊登了一篇C.P.HElemans博士的最新研究文章，標(biāo)題為“鳥類與哺乳動(dòng)物之間通用的發(fā)聲機(jī)制與聲音控制”。文章中指出：鳥類與哺乳動(dòng)物都是通過相同的發(fā)聲機(jī)制——肌彈性氣動(dòng)力（簡(jiǎn)稱MEAD）來發(fā)聲。研究此項(xiàng)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(dòng)。為了精密控制密閉容器內(nèi)的壓力，C.P.HElemans博士選擇了艾里卡特（alicat.com.cn）的雙閥壓力控制器。

壓力控制推動(dòng)肌彈性氣動(dòng)力振動(dòng)

期刊原文圖1部分截圖展示了肌彈性氣動(dòng)力振動(dòng)過程。

動(dòng)物的聲音是由發(fā)聲組織每秒鐘數(shù)百次振動(dòng)而產(chǎn)生的不連續(xù)空氣脈沖組成。肌彈性氣動(dòng)力（MEAD）描述了此類振動(dòng)如何在無活動(dòng)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(dòng)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(dòng)切斷，由此即發(fā)出了聲音。振動(dòng)頻率決定了聲音的高低，而振動(dòng)頻率取決于進(jìn)入喉頭（哺乳動(dòng)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。

艾里卡特的雙閥壓力控制器控制密閉容器內(nèi)壓力。

哺乳動(dòng)物的肌彈性氣動(dòng)力（MEAD）發(fā)聲機(jī)制已被論證，為了證明鳥類也是如此，C.P.HElemans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(duì)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(cè)試肌彈性氣動(dòng)力（MEAD）振動(dòng)的存在。因?yàn)轼B類呼吸系統(tǒng)內(nèi)的多余空間絕對(duì)封閉，采用艾里卡特的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(gè)閥門根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求的實(shí)時(shí)壓力，精密有效地控制進(jìn)入、排出密閉系統(tǒng)的空氣流量。

艾里卡特的差壓式雙閥壓力控制器（上圖為顯示屏外置），注：兩個(gè)壓力傳感器均位于正前方。

為了不破壞生物結(jié)構(gòu)，實(shí)驗(yàn)過程中須將壓力控制在一個(gè)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(gè)遠(yuǎn)程傳感器端口連接小鳥的支氣管，另一個(gè)通大氣。也就是說，即便實(shí)驗(yàn)過程中支氣管的壓力會(huì)發(fā)生微小的變化，但相對(duì)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(hào)控制于一體的艾里卡特雙閥壓力控制器，輕而易舉地便幫助項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)使小鳥的鳴管處于支氣管升壓狀態(tài)下。

壓力控制空間和冗余

期刊原文圖6部分截圖展示了冗余壓力控制空間。

除了驗(yàn)證鳥類的肌彈性氣動(dòng)力（MEAD）發(fā)聲機(jī)制，C.P.HElemans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(gè)冗余的控制空間。為此，研究團(tuán)隊(duì)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(shí)，還不斷變化著環(huán)繞在鳴管周圍的鎖間氣囊（ICAS）的壓力。項(xiàng)目組又另外采用一臺(tái)雙閥壓力控制器模擬跟支氣管腔體內(nèi)壓力范圍相同的1-3kPa(G)的鎖間氣囊（ICAS）的壓力。研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)在兩個(gè)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(duì)肌彈性氣動(dòng)力（MEAD）來說是一種常見的冗余特性。

值得注意的是，C.P.HElemans博士發(fā)現(xiàn)維持發(fā)聲組織振動(dòng)的空氣動(dòng)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(dòng)而形成的壓力差產(chǎn)生（參見論文第6頁(yè)），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(dòng)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(xiàng)將空氣動(dòng)力學(xué)應(yīng)用在動(dòng)物身上的很棒的研究項(xiàng)目。如果您也想利用艾里卡特質(zhì)量流量計(jì)、質(zhì)量流量控制器、壓力控制器將手中的研究計(jì)劃變成現(xiàn)實(shí)？請(qǐng)聯(lián)系艾里卡特。