在黑暗里听见飞蛾

一只伏翼在夜里飞，每秒叫十来声。叫声的频率在人耳之上，碰到飞蛾就反射回来。回声晚到多少毫秒，飞蛾就在多远。

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章节 · 10

01没人听见的叫声
02一声叫
03迟到的回声
04为什么是超声
05两只耳朵
06一只手撑开的翅膀
07搜索、接近、最后的嗡鸣
08会调频的菊头蝠
09飞蛾听得见
10实验台

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01

没人听见的叫声

1793 年，意大利人斯帕兰扎尼发现，弄瞎了眼睛的蝙蝠照样在屋里飞，不撞东西。同时代的日内瓦人朱林发现，堵住蝙蝠的耳朵，它就乱撞。蝙蝠靠耳朵找路，可谁也听不见它发出什么声音。

1938 年，哈佛的学生格里芬把蝙蝠带到物理学家皮尔斯那里。皮尔斯造了一台能接收超声的仪器，蝙蝠的叫声第一次被记录下来。1944 年，格里芬给这种本领起了名字：回声定位。

模型：普通伏翼和一只夜蛾，约放大 16 倍；两者之间的距离没有按比例

02

一声叫

普通伏翼在空中搜索时，每一声叫约 6 毫秒：频率从五六十千赫往下扫，最后停在 45 千赫附近。人耳最高只能听到 20 千赫左右。

这种在空中捕虫的蝙蝠叫得很响：在嘴前 10 厘米处测，可达 120 到 130 多分贝。叫声从张开的嘴里发出，主要朝前传。

声音每秒走 343 米。一声 6 毫秒的叫，在空气里拉成一段约 2 米长的波列。

声音放慢约 300 倍；波峰按真实波长画，与模型同比例放大

03

迟到的回声

叫声碰到飞蛾，一小部分被反射回来。回声要走一个来回：飞蛾在 1 米外，回声晚 5.8 毫秒到；在 2 米外，晚 11.7 毫秒。

蝙蝠从这个延迟里读出距离。1973 年的实验里，蝙蝠能分辨相差 1 到 3 厘米的距离，回声的早晚只差不到 0.2 毫秒。

回声比叫声弱得多。声音一边走一边散开，去的路上弱一次，回来又弱一次；空气还吸收掉一部分。

红色是飞蛾的回声；读数板是频谱图，横轴是时间，纵轴是频率

04

为什么是超声

一个波碰到比自己的波长小得多的东西，回声会弱得不成比例。45 千赫的声音波长约 7.6 毫米，比一只蛾小；20 千赫约 17 毫米，和一只小蛾差不多大。频率越高，小虫的回声越清楚。

代价是传不远。空气吸收高频更厉害：在 20 °C、湿度 50% 的空气里，45 千赫每米约损失 1.5 分贝，100 千赫约 3.3 分贝。叫得越高，能看清猎物的距离越短。

波峰间距是真实波长，与飞蛾同比例；在 20、46、100 千赫之间轮换

05

两只耳朵

蝙蝠还要知道飞蛾在哪个方向。从侧面来的回声，先到近的那只耳朵。可蝙蝠的头很小：大棕蝠两耳相距约 12 毫米，两边的时间差最多只有约 35 微秒。

更有用的线索是响度。耳廓像一个朝前的喇叭，对高频的方向很敏感：回声偏向哪边，哪边的耳朵听到的就更响。

耳孔前那片小小的耳屏帮它分辨上下。1982 年的实验里，大棕蝠能分辨约 3 度的高低差；把耳屏粘向一边，就变成 12 到 14 度。

06

一只手撑开的翅膀

蝙蝠的翅膀是一只手。上臂短，前臂长，普通伏翼的前臂只有 3 厘米多。大拇指留在翅膀前缘，带着一个小爪；另外四根手指极长，撑开一层薄薄的皮膜。翼展 20 到 23 厘米，体重只有几克。

皮膜从第五指一直连到身体和后腿；两腿之间还有一片尾膜，由脚踝上一根叫距的软骨撑着。伏翼常用尾膜或翼尖把飞虫兜住。

搜索时，它每扇一次翅膀叫一声。叫声和扇翅、呼气同步，几乎不用额外花力气。

07

搜索、接近、最后的嗡鸣

搜索时，伏翼每秒叫 10 声左右。它在 1 到 2 米外发现一只飞虫，然后开始接近：叫得越来越密，每一声越来越短，从 4 到 7 毫秒缩到 2 毫秒多。叫声变短，是为了不和越来越早回来的回声叠在一起。

离飞虫约半米时，叫声变成一阵嗡鸣，叫作捕食嗡鸣。最后约 20 厘米，每秒叫近 200 声，每声只有半毫秒，频率也降下来。整个嗡鸣只有一百多毫秒。离飞虫几厘米时，它停止叫，把飞虫兜住。

飞行放慢约 7 倍；这一章声音的速度没有按比例

08

会调频的菊头蝠

菊头蝠用另一种叫法：每一声长达几十毫秒，频率几乎不变。大菊头蝠在 83 千赫左右。

它向前飞时，迎面回来的回声因为多普勒效应变高。菊头蝠会把自己的叫声压低，正好抵消这个升高，让回声落在耳朵最敏感的一个很窄的频率上，误差只有千分之一二。施尼茨勒在 1968 年发现了这种多普勒补偿。

飞虫扇翅膀，会让回声的频率和响度一闪一闪。菊头蝠在这个固定的频率上听这些闪烁，就能从一堆树叶的回声里认出一只飞虫。

画面里蝙蝠的速度放大了，好让波前的挤压看得见；读数板按每秒 4 米的飞行速度算

09

飞蛾听得见

许多夜蛾在后胸两侧各有一只耳朵：一片薄薄的鼓膜，下面只有两个听觉细胞，一个灵敏，一个迟钝得多。它听不出音高，但对蝙蝠的超声很敏感。

20 世纪 60 年代，罗德发现夜蛾能在蝙蝠发现它之前很远就听见蝙蝠。叫声远而弱时，夜蛾转身飞开；叫声突然变响，说明蝙蝠已经在几米之内，它就收起翅膀，盘旋着往下掉。

有些灯蛾还会回击。2009 年的实验发现，一种灯蛾在大棕蝠锁定它以后发出密集的超声咔嗒声，干扰蝙蝠测距，让它扑空。

飞蛾的耳朵在后胸两侧、腰前；它下坠时收起翅膀

10

实验台

把飞蛾拖到台上的任何地方。频率从 15 到 120 千赫，叫声长 0.3 到 20 毫秒，每秒 5 到 200 声。读数板上画出叫声和回声，判断这声回声能不能用：太弱、和叫声重叠，还是在下一声之后才回来。

试一试把叫声调到 20 毫秒，再把飞蛾慢慢拖近：飞蛾在多远以内，回声会和叫声重叠？

模型省略了什么

蝙蝠和飞蛾约放大 16 倍，两者之间的距离压缩了；声音放慢几百倍，捕食的飞行放慢约 7 倍，那一章的声速没有按比例。波峰按叫声结束时的频率画，真实的叫声在扫频，波长一路在变。回声的强度用一个简化的声呐方程：去程和回程各按球面扩散，空气吸收按 ISO 9613-1（20 °C、湿度 50%），飞蛾当作一个半径 5 毫米的硬球，比波长小时按瑞利散射减弱；叫声在嘴前 10 厘米处 120 分贝，听阈取 0 分贝（Kick 1982 测得大棕蝠的回声阈值在 0 分贝附近）。这个方程不考虑叫声和耳朵的方向性、杂波，也不考虑蝙蝠在噪声里检测回声的本领，所以算出的发现距离只是量级。捕食的叫声序列按 Kalko 1995 报告的伏翼的典型数字编排，不是某一次录音。

一个常见的误解

蝙蝠不是瞎子。所有蝙蝠都有眼睛，很多种视力不差；大型果蝠主要靠视觉和嗅觉，大多不会回声定位。另外，比波长小的虫子并不是“看不见”，只是回声弱得多；用低频叫的蝙蝠有时也捕小虫。

资料来源

数据

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