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06 超声波和次声波 Urasound and Infrasound（第1页）

06超声波和次声波UltrasoundandInfrasound

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蝙蝠的声音

许多教科书会告诉你，你的听力范围在20赫兹到20千赫之间，但你千万不能相信。

如果你现在20多岁，那很可能已经对17千赫以上的声音充耳不闻了。

随着年龄的增长，人类听力的高频极限下降明显且可预见。

2009年起，愤怒的商店店主开始使用一种被称作“蚊声器”

（Mosquito）的高频声波发生器驱逐未成年人，因为只有青少年（以及儿童和婴儿）还有能力听到这种设备产生的恼人音调。

我们这些对17千赫的声音都充耳不闻的人则不会因为这些音调而感到不适，这表明能够听得到这么高的音调对演化并没有什么好处，否则我们早已经演化出更强健的听觉系统了。

尽管如此，我们还是错失了一种演化的良机，并不是因为我们错过了超声波特别丰富的声景，而是因为我们不能利用声音的一些便利的物理特性。

这些特性在我们能听到的频率范围内是可以忽略的。

然而，蝙蝠比我们要灵敏得多。

蝙蝠使用超声波的复杂程度令人震惊。

在漆黑的夜晚，一只拥有80厘米翼展的埃及果蝠可以轻易地在两根垂直杆之间飞行而完全不触碰到杆，即便两根杆之间的距离只有53厘米。

为了完成这样的壮举并展开捕猎行动，蝙蝠使用回声定位技术产生超声波并对它们听到回声的延迟进行计算，以获得附近物体的距离。

失明的人会根据回声时延来判断自己到墙壁的距离，但他们最终得到的并不是世界的视觉景象。

考虑到可听声的波长，他们不可能得到关于环境的全部景象。

想象一个码头矗立在平静的湖面上，微风吹过，形成了大约1厘米波长的波纹。

这些波纹一圈圈地从码头的柱子上反弹回来（见图21）。

后来，大风来了，产生了更大的波浪，这些波浪从柱子上滚过，仿佛柱子不在那里一样。

同样的原理也适用于声波，声波只受比波长更大的障碍物的影响，它也只能探测到这样的障碍物。

图21　涟漪与波

因此，如果一只蝙蝠试图靠回声定位一只蛾子，发出了一个人类可以听到的音调，比如中央C。

中央C的波长是132厘米，只有当蛾子的大小超过1米时，蝙蝠才能够成功测到。

要检测一只1厘米的蛾子，至少需要33千赫的声波。

事实上，蝙蝠通常会发出80千赫的声音（较小的种类能发出更高的频率，范围在40～120千赫）。

如此高的频率使得它们不仅可以处理孤立物体的位置，还可以处理树枝、树叶和昆虫的复杂三维分布。

其中许多物体相互之间都在相对运动，而且都在相对于蝙蝠运动。

连续不断地发出超声波，对蝙蝠而言没有任何好处，其结果会是蒙太奇一样令人困惑的声波重叠和干扰性回声，无法被解码。

蝙蝠所需要的是脉冲声，且声音必须是短暂的。

如果两个飞蛾相距1厘米，想要产生独立的回响，声音脉冲必须在到达第二个障碍物之前就已经越过前一个了。

因此声波的波长必须不到1厘米，而且持续时间不能超过30微秒。

蝙蝠或机器不可能产生单一波长的短时间持续脉冲，除非该波长比脉冲本身短得多。