Young D, Bennet-Clark H
J Exp Biol. 1995;198(Pt 4):1001-20. doi: 10.1242/jeb.198.4.1001.
澳洲周期蝉的鼓膜由一块双凸膜构成,其前部有交替排列的长肋和短肋,后部有一块形状不规则的鼓膜板。这些硬化区域通过周围高度柔韧的表皮连接在一起,表皮中含有弹性蛋白。在背面,有一块厚厚的弹性蛋白垫,其作用如同一个弹簧,使鼓膜恢复到向外的位置,并维持长肋上的应力。
鼓膜肌收缩会使鼓膜板向内摆动,起到杠杆作用,从而使鼓膜表面移动的距离超过肌肉缩短距离的两倍。这会导致长肋背端向内移动并扭转,然后依次弯曲,每根肋都会从凸形突然变形为V形。弯曲发生在肋的最薄弱点,即狭窄且高度硬化的中间区域。
鼓膜向内弯曲会产生一声响亮的咔哒声,其主频约为4千赫兹。当由内部声音或鼓膜板的振动驱动时,在弯曲的鼓膜中可以证明接近4千赫兹的共振。这些共振在密封的蝉以及腹部气囊前后两端都已打开的蝉中都会出现,这表明共振并非由气囊引起;鼓膜本身就是一个共振系统。鼓膜振动的最大振幅出现在长肋中央的V形凹痕处。
当鼓膜加腹部气囊系统由鼓膜板的振动驱动时,通过鼓膜辐射出的声音的3分贝带宽品质因数约为12.5,这大约是鼓膜(品质因数Q = 9.3)和气囊(品质因数Q = 3.4)共振器品质因数之和。当鼓膜没有被气囊加载时,即在密封蝉和开放蝉的制备中,其共振的3分贝带宽品质因数更高,在13到20之间。
鼓膜弹出时产生的咔哒声比向内弯曲时的咔哒声安静超过20分贝,其主频约为6千赫兹。在静止位置驱动时,会发现接近6千赫兹的共振,但肋和鼓膜板只有微弱的整体振动。当鼓膜逐渐向内推时,随着鼓膜向内弯曲,共振频率从约5.5千赫兹变化到约4.3千赫兹。同一只昆虫的左右鼓膜在声学特性上可能会略有不同。
当鼓膜向内弯曲时,它会将大约6微升的体积排入约2毫升的腹部气囊中。气囊内部产生的声压峰值达到155 - 159分贝声压级;均方根值为141 - 144分贝声压级。鼓膜外侧的平均峰值为148.5分贝声压级。
总体而言,目前的研究支持并扩展了我们早期关于蝉发声的模型:鼓膜咔哒声提供了一个连贯的共振源,驱动腹部共振器,声音通过鼓膜辐射出去。同时,该系统提供了肌肉力量和声功率之间的压力转换,这对于高效的声音辐射是理想的。