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听不见的声音

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  海豚用头部的声呐系统来进行回声定位 | 图片来源:creation.com

  当你走进一片森林里或是下潜到海中时,会觉得世界真安静啊。然而,对很多动物来说,森林或海洋里其实可热闹了,因为它们能听到我们听不到的声音。

  这并不是因为那些声音太小了,而是因为它们的频率太高或太低。上期我们介绍过,声音是物体振动产生的,以声波的形式传播,就像光波、水波一样,声波也有它的频率,它由物体振动速度的快慢决定,物体振动得越快,声波的频率越高,声音的音调听起来越高。像尖叫声、哨声这些刺耳的声音都属于比较高频的声音,但是当声音频率高到一定程度的时候,人的耳朵就听不出来了,频率太低也同样听不到。人耳能听见的声音范围大约在20~20000赫兹(Hz)之间,1赫兹相当于一秒钟振动一下。高于20000赫兹的声音,我们称为超声波,低于20赫兹,则叫做次声波。

  人类说话的声音频率一般在几百到几千赫兹。不同动物能发出的声音频率范围也不同,比如前面提到的蝙蝠和海豚能够发出超声波,大象、长颈鹿、鲸可以发出次声波。它们不仅能够发出这些我们听不到的声音,也能听到它们。

  动物们会用这些特别的声音来和同类进行交流、发现猎物、躲避天敌,或者用来探路。

  蝙蝠和海豚头部的特殊结构可以利用超声波来进行回声定位。当声波遇到某些障碍物时,会像光被反射那样,反射出一部分声音,这种声音就叫做回声,超声波比一般声波更容易被反射,而且能量集中,朝着目标进发的时候不容易跑偏,所以蝙蝠和海豚可以使用它来判断障碍物在哪儿,避免自己撞上去了。在看不清的夜里,超声波就成了它们的“手电筒”。同时,它们也能听到猎物和天敌发出的超声波,好及时出击或躲避。

  科学家们向这些动物学习,发明了声呐技术,使用声纳技术的仪器通过发出声波,并接收反射来分析周围障碍物的情况,这在我们很难直接看清的水下尤其有用。渔民们在渔船上安装声呐仪,就相当于拥有了千里耳,可以“听”到来自周围水下鱼群的回声(并非实际听到,而是转化成了图像等信息),再加上声波在相同介质中的传播速度是固定的,只要知道回声传回的方向和时间,就能定位出鱼群的位置和距离。海洋科考队员们在科考船上安装声呐仪,用来探测水下那些不容易看到或难以深入的区域,比如漆黑的深海海床,从而绘制出这些地方的地形地貌。医学上,超声波还被用来做身体检查, B超检查就是用超声波反射的原理来让还在妈妈肚子里的宝宝亮相,好了解他们的健康状况。另外,超声波拥有的能量还被用来清洗和破碎物品。

  而次声波不容易被反射,能够传播非常远的距离,所以大象们不需要电话,借助次声波就可以实现远距离交流,它们甚至能听到4千米之外的同类的声音!地震发生时地下也会发出大量次声波,在人类感受到地震之前,能听到次声波的动物会先反应过来,赶紧逃走。科学家们也在利用探测次声波的仪器来监测地震。

  虽然我们无法直接听到这些声音,但却学会了如何“看”到它们,并且把它们变成了我们探索世界的得力助手,这一切都离不开大自然“老师”的启迪。

  参考资料:

  https://www.explainthatstuff.com/ultrasound.html

  https://academickids.com/encyclopedia/index.php/Infrasound

  https://en.wikipedia.org/wiki/Hearing_range

  https://creation.com/dolphin-double-sonar

  https://www.earth.com/news/animals-use-infrasound-communicate/

  http://www.ioa.cas.cn/kxcb/kpgz/201805/t20180511_5010460.html

  作者:Mirror

  审稿:张轩中(科普作家,中国物理学会会员)