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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

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。相反，蝙蝠发出非常尖锐的咔嗒声。根据傅里叶分析，我们知道这样的咔嗒声相当于不同频率的波的混合（见图12），而且咔嗒声越剧烈（也就是说，它从安静状态变化到最大值的速度越快），产生的频率范围就越大，这样就可以更准确地判断距离。

那对蝙蝠来说，最理想的声音是持续时间极短的一个咔嗒声吗？并不完全是，短时间的咔嗒声意味着声音的能量很低，那它就不能传播很远且不消退。人类在设计雷达和声呐系统时也面临着这个问题。1960年发明的频率扫描技术解决了这个问题，它利用了一个相对较长的频率逐渐增加的脉冲，并在相当长的时间内可持续产生大量的能量，因此频率的范围也会比较大。而频率的变化意味着位于不同距离的物体的回声可以通过其频率的差异来区分。

当蝙蝠使用这种扫频技术时，脉冲持续2～3毫秒，在此期间频率下降（而不是像人类扫频器那样上升）约一个八度。蝙蝠产生这种脉冲越多，它收到的信息就越多，所以它通过修改咔嗒声的频率来应对不同的挑战。从寻觅猎物时发出每秒约10个脉冲到面临复杂环境或接近猎物时提高至以每半秒为周期发出100个脉冲。

如第2章所述，如果造成回声的物体在（相对于声源）运动，声音的频率将会因多普勒效应而改变。人类和蝙蝠的声呐系统利用这个效应来确定这些物体的速度，然而不同之处在于，我们的系统测量频率的变化，而蝙蝠修改它们的输出脉冲的频率，直到它们听到的回声不再变化，就仿佛目标是静止的。例如，如果一只蝙蝠正接近一个物体，则从物体返回的回声的频率不断上升，蝙蝠会因此降低它输出的频率，使回声的频率降低到与蝙蝠原来的频率相匹配的程度。

一种不同的声音

超声波和可听声的另一个物理区别是，超声波很容易形成声束，这对蝙蝠来说也是相当有利的。一个80千赫的音穿过1厘米的开口，将形成一个锥形声束，在1米距离之内扩散到约90厘米宽（见框9）。对蝙蝠这个以鼻孔发射超声波的物种来说，两个声源之间的干涉现象意味着声束之间的间隔进一步缩小。这不仅集中了声波的能量，使蝙蝠可以探测到更大的距离，还减少了分散注意力的侧面回声的数量。2015年一项关于蝙蝠接近饮水池的研究表明，蝙蝠接近水的时候嘴巴会张大，就很有可能是为了减少侧面回声的数量。

毫无疑问，自然演化为蝙蝠提供了用于生成和探测更高频率声音的生理装备，但空气对这些声音的吸收却是一个无法逾越的障碍。实验表明，在蝙蝠最喜欢的环境下（25℃，50%的相对湿度），100千赫的声音每米有3分贝被空气吸收。也就是说，在1米的范围内，这种声音的声强会下降到原来的一半左右。相反，30千赫的声音只以每米0。7分贝的微弱速度被吸收，这意味着它们的声强下降了约15%。（声音的吸收随着频率的增加而增加，这也是雷声在近处听起来如爆竹般噼啪响，而在远处听起来却轰隆隆的主要原因。）

为什么会这样呢？因为空气是由分子组成的，所有的分子都在以一定的速度随机移动，并经常相互碰撞。在炎热的天气里，这种分子运动的速度会增大。事实上，温度只是对一大群分子运动速度的一种度量（见框10）。声波是一系列在空气中交替移动的高压和低压，所以在声波到达的任何特定位置，空气分子都会先聚集在一起，再分散开来，然后再次聚集在一起。当分子聚集时，它们会减速。就像一个人逆着人群的方向匆匆穿过拥挤的车站，人数越多，速度越慢。分子越多，速度同样也会越慢。当这种情况发生时，分子的能量就会发生变化。虽然分子移动得更慢了（换句话说，它们的动能下降了），但旋转变快、拉伸变多，因此这些分子的内能反而上升了。

这一情况可以类比为由坚固的钢弹簧连接的一对板球，也就是一个相当精确的双原子（两个原子）分子模型，就像构成了我们大气99%成分的氮（N2）和氧（O2）的分子。在通过声波的压缩部分之后，分子再次分离，转速变慢，拉伸程度下降，并以更快的速度运动。按下钢琴上的中央C，声波产生的能量以每秒262次的频率在动能和内能之间来回转换。

但如果频率足够高，能量转换的时间就会变得非常短，以至于一个分子无法在反转之前足够快地完成内能到动能的转换。结果就是，声速下降，声波迅速消失。这些变化开始时，声波实际的频率取决于它所处的介质，且固体和**中的声波频率远高于气体中的声波。介质的其他特性，特别是黏度，也与这种效果有关。

这种现象对我们非常有用。当超声波衰减时，它的能量通过介质传播，并使其升温。这种热效应有许多应用，包括通过体内组织的升温以改善血液流动，或治疗受损的肌肉和关节。

医学超声检查

超声波还有很多其他的医疗用途，包括胎儿扫描（几乎所有发达国家的人都在出生前接受过扫描）和超声治疗（比如用25千赫的声波与水射流一起去除牙垢）。与其他许多医疗方法不同，超声波可以瞬间开启和关闭，且只需要低成本的技术，而且通常患者只需要最简单的准备工作。超声波发生器相对便携且只需少量辅助设备的特点意味着它们可以在医疗之外的领域使用，包括许多健身房中使用的透热疗法（深层加热）仪器，还有部署在战场上的伤口热凝系统——这个系统专门用以拯救可能因失血过多而丧生的士兵。

超声波已被用于治疗多种肿瘤，包括除此之外无其他手术方法的一些脑癌。这种技术被称为高强度聚焦超声（HIFU）或高强度治疗超声（HITU）。除了通过加热肿瘤组织（在米粒大小的区域里加热至约90℃）来破坏它们之外，超声诱导肿瘤中气泡的形成也是常见的疗法，超声诱导后化疗将更加有效。使用超声波来治疗这类需要精确定位的疾病的主要挑战是，超声波束的传播受限于人体组织的密度和弹性。因此，由人造组织模拟材料制成的人体部件模型被用来校准和编程设备。