回声定位和蝙蝠仿生

回声定位和蝙蝠仿生

第二次世界大战期间，德军制定了一个叫“海狮行动”的军事计划，动用2000架飞机突然袭击伦敦，企图一举摧毁英国。为了保证这次空袭成功，事前派遣了一个特工小组潜入英国，破坏英国雷达网中心。在这个危急时刻，英国反间谍人员及时破获了这个特工小组，使英国能够以1000架战斗机在雷达的监测下，击退了当时不可一世的德国空军。事后，英国首相丘吉尔在向全国广播时说：“1000名皇家空军挽救了英国”。这次战役，英军能够以少胜多，当然是由于英国皇家空军的英勇奋战，但是雷达在其中显示的威力也起着很大的作用。

雷达和声呐都是人为的监测设备。雷达是用电磁波的反射发现目标并测定其位置的电子设备；声呐是利用声波的反射探测目标和测距的仪器。远在人类利用雷达和声呐千百万年前，在自然界，不少动物，如蝙蝠、海豚等早已在应用它们自身的声呐系统来定位、捕食、绕过障碍和逃避敌害。而且在结构的精致，效应的灵敏等很多方面都是目前人工雷达和声呐系统还办不到的。虽然人为的雷达和声呐是对一些动物回声定位的一种迟到的仿生，但是，深入研究一些动物的回声定位，势必会给完善人为的雷达和声呐许多有益的借鉴。

物体振动才能发声，声音以波的形式在媒介中传播，当声波碰到障碍物时就会反射回来，反射回来的声波传入耳朵就是回声。如果回声到达耳朵比原来的声音滞后0．1秒以上，就能把回声与原来的声音区分开来。因此根据声速和回声滞后时间就能测出发声体与目标之间的距离。人耳能听到的振动频率范围约在20～20000赫兹之间。因此，把低于20赫兹的声波称次声波，高于20000赫兹的声波称超声波。利用回声定位的蝙蝠能发出和听到的超声波超过每秒150000次振动，这样高的频率的声波，如果人耳能听得到，就会有震耳欲聋的感觉。蝙蝠发出的声波是极短促的，还不到千分之一秒长，而且是不连续的，并以脉冲的形式发射出来，这样可使发出的声波有较大的能量，也容易听清不连续的回声。有不少蝙蝠如菊头蝠科和蹄蝠科等在鼻部有复杂的鼻叶，是由鼻子周围的皮肤褶瓣形成，鼻叶沿鼻孔围成一圈，就像喇叭筒一样，这样就能把超声波集中成一狭窄的波束发射出去，使它传得更远。从鼻叶的着生部位来看，可能这些蝙蝠的超声是从喉头产生经由鼻孔发出的。蝙蝠不仅能调制声波的振幅，改变声音的强度，也能调制频率。一只蝙蝠飞行中每秒重复它的叫声20次，但是当收到有用的回波后，立即会兴奋起来，发出每秒200次以上的脉冲，进行确切地探测。有些蝙蝠在外耳基部有一片皮肤瓣叫做“耳屏”，种类不同耳屏的形状也不同。值得注意的是，一般有复杂鼻叶的蝙蝠大多数都没有耳屏，而有耳屏的一般都没有复杂的鼻叶。这样就不免使人联想到一个问题：如果鼻叶同声音的发射有关，那么耳屏是不是同回声的接收有关？研究过蝙蝠的人都知道，菊头蝠科的蝙蝠的外耳特别大。即使是倒挂着的时候，它们的双耳都在不停地向各个方向微微颤动，这显然是在收集声波的动作。此外，它们的股关节特别柔韧，倒挂时几乎能作360°弯曲。蝙蝠的内耳也很大，两个耳蜗占据了后颅腔很大位置。耳蜗螺旋韧带很发达，在近鼓阶处还有一个螺旋板，这些结构都是蝙蝠对回声的接收具有高灵敏度的基础。声音是会被干扰的，蝙蝠抗干扰的能力非常强。人造的声学仪器当噪声强度与它发出的声波强度之比为1∶1时就开始失灵了。但是，实验证明：在一间布满细铁丝的暗房内，用噪声去干扰一只蝙蝠的飞行，即使噪声和信号声之比高到100∶1时，蝙蝠飞行照样不会碰撞细丝。很多蝙蝠都有聚群的习性，一个山洞中聚集有千万只蝙蝠是常有的事，如此多的蝙蝠同时发出的超声波而彼此不受干扰又是多么令人羡叹！

由于声波透过空气和水这一界面时，从水中物体返回到空中接收到的回声声波几乎下降了100万倍以上，因此，从空中收听来自水中的回波是很难的。但是，一种食鱼的兔唇蝠就能从空中探测到水中的鱼，并能把握住最好时机，俯冲下来将鱼抓获。当然兔唇蝠是贴水低飞觅食的，这样可以减少声波通过水面时的损失。

最令人不可思议的是现代的声呐和雷达装置，重量以吨为计算单位，体积以百立方米计，而一只盘翼蝠的头和体长只有34～52毫米，平均体重只有4．2克。要知道这还不是最小的蝙蝠。就在这样小的一个躯体内竟装置有如此精密的声呐系统，难道不值得人们去深入研究吗？