回聲定位和蝙蝠仿生

第二次世界大戰(zhàn)期間，德軍制定了一個叫“海獅行動”的軍事計劃，動用2000架飛機突然襲擊倫敦，企圖一舉摧毀英國。為了保證這次空襲成功，事前派遣了一個特工小組潛入英國，破壞英國雷達網(wǎng)中心。在這個危急時刻，英國反間諜人員及時破獲了這個特工小組，使英國能夠以1000架戰(zhàn)斗機在雷達的監(jiān)測下，擊退了當時不可一世的德國空軍。事后，英國首相丘吉爾在向全國廣播時說：“1000名皇家空軍挽救了英國”。這次戰(zhàn)役，英軍能夠以少勝多，當然是由于英國皇家空軍的英勇奮戰(zhàn)，但是雷達在其中顯示的威力也起著很大的作用。

雷達和聲吶都是人為的監(jiān)測設(shè)備。雷達是用電磁波的反射發(fā)現(xiàn)目標并測定其位置的電子設(shè)備；聲吶是利用聲波的反射探測目標和測距的儀器。遠在人類利用雷達和聲吶千百萬年前，在自然界，不少動物，如蝙蝠、海豚等早已在應(yīng)用它們自身的聲吶系統(tǒng)來定位、捕食、繞過障礙和逃避敵害。而且在結(jié)構(gòu)的精致，效應(yīng)的靈敏等很多方面都是目前人工雷達和聲吶系統(tǒng)還辦不到的。雖然人為的雷達和聲吶是對一些動物回聲定位的一種遲到的仿生，但是，深入研究一些動物的回聲定位，勢必會給完善人為的雷達和聲吶許多有益的借鑒。

物體振動才能發(fā)聲，聲音以波的形式在媒介中傳播，當聲波碰到障礙物時就會反射回來，反射回來的聲波傳入耳朵就是回聲。如果回聲到達耳朵比原來的聲音滯后0．1秒以上，就能把回聲與原來的聲音區(qū)分開來。因此根據(jù)聲速和回聲滯后時間就能測出發(fā)聲體與目標之間的距離。人耳能聽到的振動頻率范圍約在20～20000赫茲之間。因此，把低于20赫茲的聲波稱次聲波，高于20000赫茲的聲波稱超聲波。利用回聲定位的蝙蝠能發(fā)出和聽到的超聲波超過每秒150000次振動，這樣高的頻率的聲波，如果人耳能聽得到，就會有震耳欲聾的感覺。蝙蝠發(fā)出的聲波是極短促的，還不到千分之一秒長，而且是不連續(xù)的，并以脈沖的形式發(fā)射出來，這樣可使發(fā)出的聲波有較大的能量，也容易聽清不連續(xù)的回聲。有不少蝙蝠如菊頭蝠科和蹄蝠科等在鼻部有復(fù)雜的鼻葉，是由鼻子周圍的皮膚褶瓣形成，鼻葉沿鼻孔圍成一圈，就像喇叭筒一樣，這樣就能把超聲波集中成一狹窄的波束發(fā)射出去，使它傳得更遠。從鼻葉的著生部位來看，可能這些蝙蝠的超聲是從喉頭產(chǎn)生經(jīng)由鼻孔發(fā)出的。蝙蝠不僅能調(diào)制聲波的振幅，改變聲音的強度，也能調(diào)制頻率。一只蝙蝠飛行中每秒重復(fù)它的叫聲20次，但是當收到有用的回波后，立即會興奮起來，發(fā)出每秒200次以上的脈沖，進行確切地探測。有些蝙蝠在外耳基部有一片皮膚瓣叫做“耳屏”，種類不同耳屏的形狀也不同。值得注意的是，一般有復(fù)雜鼻葉的蝙蝠大多數(shù)都沒有耳屏，而有耳屏的一般都沒有復(fù)雜的鼻葉。這樣就不免使人聯(lián)想到一個問題：如果鼻葉同聲音的發(fā)射有關(guān)，那么耳屏是不是同回聲的接收有關(guān)？研究過蝙蝠的人都知道，菊頭蝠科的蝙蝠的外耳特別大。即使是倒掛著的時候，它們的雙耳都在不停地向各個方向微微顫動，這顯然是在收集聲波的動作。此外，它們的股關(guān)節(jié)特別柔韌，倒掛時幾乎能作360°彎曲。蝙蝠的內(nèi)耳也很大，兩個耳蝸占據(jù)了后顱腔很大位置。耳蝸螺旋韌帶很發(fā)達，在近鼓階處還有一個螺旋板，這些結(jié)構(gòu)都是蝙蝠對回聲的接收具有高靈敏度的基礎(chǔ)。聲音是會被干擾的，蝙蝠抗干擾的能力非常強。人造的聲學(xué)儀器當噪聲強度與它發(fā)出的聲波強度之比為1∶1時就開始失靈了。但是，實驗證明：在一間布滿細鐵絲的暗房內(nèi)，用噪聲去干擾一只蝙蝠的飛行，即使噪聲和信號聲之比高到100∶1時，蝙蝠飛行照樣不會碰撞細絲。很多蝙蝠都有聚群的習(xí)性，一個山洞中聚集有千萬只蝙蝠是常有的事，如此多的蝙蝠同時發(fā)出的超聲波而彼此不受干擾又是多么令人羨嘆！

由于聲波透過空氣和水這一界面時，從水中物體返回到空中接收到的回聲聲波幾乎下降了100萬倍以上，因此，從空中收聽來自水中的回波是很難的。但是，一種食魚的兔唇蝠就能從空中探測到水中的魚，并能把握住最好時機，俯沖下來將魚抓獲。當然兔唇蝠是貼水低飛覓食的，這樣可以減少聲波通過水面時的損失。

最令人不可思議的是現(xiàn)代的聲吶和雷達裝置，重量以噸為計算單位，體積以百立方米計，而一只盤翼蝠的頭和體長只有34～52毫米，平均體重只有4．2克。要知道這還不是最小的蝙蝠。就在這樣小的一個軀體內(nèi)竟裝置有如此精密的聲吶系統(tǒng)，難道不值得人們?nèi)ド钊胙芯繂幔?/p>