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。

超声波在医学上的一个更直接的应用是碎石术。在这种方法中，高功率脉冲只是在原位敲打肾结石，将它们粉碎成小到足以随尿排出体外的颗粒。

超声波扫描

超声波最著名的用途之一是扫描胎儿。由于传统扬声器的膜片移动速度不够快，无法产生合适的兆赫频率，因此使用了压电发射器。将凝胶涂在腹部，这样就没有空气层来反射或吸收声音。超声波在具有不同声阻抗的介质(如骨骼、肌肉、皮肤、羊水等)之间的界面反射，通过精确测量回声从这些界面返回所需的时间(每种介质中声速不同)，就可以计算出它们的距离。通过移动超声波束，可以测出详细的三维图像，并将其转换为实时视频图像。

像大多数扬声器一样，压电换能器是由它产生的振**电流往复产生声波。另一方面，当被声波击中时，它会产生电信号。因此，在胎儿扫描仪中，扫描仪的探头既是超声波的来源，也是超声波回声的检测器。

利用极高频声波束可以生成相当精确的图像。1兆赫(100万赫兹)的信号可以显示毫米尺度的图像细节，而检测结果的精确度取决于被检查组织的声学性能。并且，现在许多扫描仪已上升到15兆赫，眼睛和皮肤用的扫描仪甚至可以达到50兆赫。

但与声学显微镜产生的80亿赫兹信号相比，这简直是小巫见大巫，因为声学显微镜可以观察到0.03微米尺度的细节。但不幸的是，如此高频的声音还没传播到1毫米外，就会被几乎所有类型的介质吸收，唯一的例外是液态氦。注意，如果没有保存在温度低于5开尔文(-268℃)的环境中，液态氦就会沸腾。由于需要精密冷却系统，声学显微镜的价格会比较昂贵。即便如此，我们还是要使用声学显微镜，因为它们可以探测到样品的表面以下，特别是一些难以从视觉与周围环境区分，但对声音有很强反射的材料。

在医学领域之外，超声波最常见的诊断应用之一是检测缺陷和裂纹，例如在铁路修建方面。为了定位这些缺陷，人们沿着被测试的物体发送一系列的音爆。在脉冲回波模式下，发射器和接收器被放在一起，如果存在缺陷，脉冲被反射，它们的到达时间能够表明缺陷的位置。在传输模式下，探测器和发射器是分开的，传输过程中脉冲的任何变化都表明测试对象中存在不均匀性。这种方法也可用于测定固体中的机械应力。由于材料的弹性模量在受到应力时发生变化，它们的声速也会发生局部变化。

超声波的力量

虽然大功率超声的热效应有许多应用，但它也可以通过对介质的机械作用来传递能量。枪虾就是一个在自然界中比较罕见的例子，利用超声波(连同可听频率)产生的冲击和压力来捕猎。当这种动物猛夹它的虾螯时，会发出响亮而突然的咔嗒声，其频率高达200千赫，足以杀死或击晕猎物和潜在的捕食者。

无论是虾还是人类，超声波的机械能通常是通过气蚀传递的。气蚀是指微小气泡的形成和剧烈坍塌。基本上所有的**都含有这种气泡，要么由它们自己的蒸汽构成，要么由空气构成。当**的压力下降时，这些气泡就会膨胀(这就是打开一个装有汽水的加压容器时产生泡沫的原因)。因为声波是由一系列的高压和低压组成的，它会使气泡迅速膨胀和收缩，在高功率和高频率的情况下，气泡的振动非常剧烈以至于产生破裂和内爆，同时以热能的形式释放出它们的振动能量。其产生的温度甚至可能会超过太阳表面的温度，并能使**发光(一种被称为声致发光的现象，枪虾也能引发这种现象)。

因为能量只会在很小范围内出现，所以**不会全都变得特别热。但是，高浓缩能量的爆发可以用来引发化学变化(声化学)，或者清洁和消毒需要在水下清洗的物体，比如某些医疗器械。基于气蚀的清洗在20～50千赫范围内最为有效。在更高的频率下，超声波还会搅动**，在100千赫到1兆赫的范围内，**搅动在清洗效果中占主导地位。在实际生活中，超声波清洗浴缸就同时应用了这两种原理。

高功率超声(无气蚀化)常常被用于电路板印刷中的无焊剂焊接，其中电烙铁的电热头以超声波频率振动。在更高的功率下，非常精细的线可以通过由超声波振动引起的摩擦从内部加热而焊接在一起。这样做的一个好处是，由于加热效果仅限于非超声(充声)电线，超声波不会加热附近的元件。还有一些其他依赖超声波焊接的材料，其频率的选择取决于要焊接的零件的大小，范围从小零件的60千赫兹到大零件的10千赫。

高功率超声波甚至可以用来举起小物体。虽然它们所产生的力是微弱的，但在微重力环境中，例如在空间站内部，它们可以在组装过程中使精密仪器的位置保持稳定，或者防止高度活跃的化学物质接触到任何设备。

外部极限——声子

在极高的频率下，声音的表现形式与我们所熟悉的完全不同。就像电磁辐射，最高频率的电磁波的表现形式不像是波而更像粒子(因此盖格计数器可以通过一个个的咔嗒声记录下伽马射线的存在)。表现形式更像粒子的那些最高频的声音被称为声子。人类是间接发现声子的存在的。在19世纪末，人们已经知道要使一种物质的温度升高1℃，需要特定的热量。水的比热容比油的比热容高，这就意味着烧一壶水比烧一壶油要花更长的时间。

气体和固体也有特定的热量，但有一种异常现象令人不解。提高固体的温度所需的热能大约是提高相同数量的气态物质温度的两倍。这意味着固体(和某些**)一定有某种储存热量的方法，而这种方法是气体无法获得的。这个原理就是振动。固体中的分子可以像钟摆一样围绕其平衡位置振动。但是，与钟摆不同的是，振**分子不能逐渐变慢。量子力学定律要求它必须从快速振动跃迁到缓慢振动。当它这样跃迁的时候就会把一个声子的振动能量传递给另一个分子。固体传导热和传导电的方式可以通过声子的行为来解释。

次声波

随着声音不断接近人类听觉频率的下限，声音刚好能被听到的声强就会升高。正好能被听到的20赫兹纯音比正好能被听到的4千赫声音的声强(在其他条件相同的情况下)高出近3亿倍。这种强大的低频声音在空气中很少见，但在建筑工地、地铁站、高速公路附近以及地震活跃地区，我们很容易就能感觉到这种由固体传播的声音。

另一方面，通过空气传导的低功率次声波一直环绕着我们。它们甚至可以在我们走路的时候产生。由于我们头部的上下运动，耳朵的循环气压变化在我们周围形成了一个约1赫兹的次声波。海浪能够产生0.2赫兹左右的次声波。所有声音中频率最低的自然声音都来自高空和地下深处，极光和火山产生的次声波约为0.01赫兹。

次声波的主要特征之一是它的传播距离比可听范围内的声音更远，并能穿过海洋、地面或空气。在空气中，几千千米外的次声波很容易被探测到(例如，由火山爆发产生的次声波)，尽管通常不是靠麦克风，就像我们通常是靠感觉，而不是靠听觉来发现次声波。我们使用专门的气压计来测量次声。次声也可以通过它引起的温度变化来检测。

有证据表明，次声对人类的影响与其他类型的声音明显不同，其中就包括增强情绪反应。现代古典音乐会加入次声，同一支乐曲在一场没有次声伴奏的音乐会中会有更多的人更讨厌或喜欢。另一些实验也证明，驾驶员暴露在次声环境下，很快就会感到非常疲劳。甚至有人认为，次声是使人们产生幻觉的原因之一，部分原因是直接的情感影响，部分原因是眼球的振动会引起视觉障碍。

次声已被证明是探测火流星的可靠手段。火流星是一种在飞行中爆炸的流星体。由于它们在大气中超音速飞行，下落时会产生富含次声波的音爆。更多的次声波是在火流星爆炸时产生的。所有这些空中的次声到达地面时会产生固体中的次声，当火流星碎片撞击地球时会产生表面波。将所有这些声音的频率、时间和振幅结合，我们就可以对火流星的路径、运动和能量进行详细的分析。

次声在地面传播时对我们的影响更大，而超声在水下传播时才真正地如鱼得水。我们将在第7章中介绍这些声音传播的媒介。