《盲眼钟表匠》（二）

蝙蝠的解决方案

昨天简要的描述了蝙蝠的回声定位系统，留下了几个问题还未解决。

声波的强度随距离迅速衰减，为了侦测远方的目标，蝙蝠发射的声波必须强度非常高，同时接收系统十分灵敏。那么，如何避免接收系统被发射时的高强度声波损伤？

二战时设计雷达的工程师也遇到过类似的问题，他们的解决方案是这样的：保持必要的发射强度，但在发射的同时，关闭接收天线，发射之后再开启。这样就巧妙地避免了高强度无线电波对接收天线的损害。

然而蝙蝠早在几万年前就 “发明” 这种 “发射/接收” 控制电路技术了，这里的控制电路是一种比喻的说法，蝙蝠体内当然不会真的有控制电路这样的东西，但是它们的** 听小骨 及 相关肌肉 ，确实起到了控制电路的功能。简单的说，蝙蝠在发出声波（和雷达的无线电波有区别，但是在这里原理是相同的）的同时控制肌肉 收缩 ，降低听小骨的 振动频率 **，从而使自己不至于受到伤害。令人惊叹的是，蝙蝠的听觉相关肌肉收缩/放松的频率，可达每秒几十甚至上百次！

这一原理和人类的咽喉也有相似之处，人类在进食（或呕吐）的时候，** 会厌 **关闭，以防异物误入气管。

• 蝙蝠利用测量发射和接收的时间差来定位，那么发射的声波必须短而促（注意，这里的短促和频率、波长都无关。比如说假设蝙蝠可以持续发出同样的声波0.001秒，或0.01秒，这里的短促是这个意思），声音太长的话，比如蝙蝠发出了一长串声波，这一串声波可能前半部分反射回来的时候，后半段刚刚到达障碍物，这样就会混入回声，妨碍侦测。而声音太短促的话，又会因能量太低而难以侦测到。那么，合适的声音长度（再次提醒，这里的长度跟波长、频率都无关）是多少？

人类工程师再次遇到了和蝙蝠一样的问题，所采用的方案是一种叫做 “啁啾雷达" 的方法：** 使发射出去的无线电波随时间变化 ，这样一来，不仅可以区分原先的声音和回声，而且还可以 使无线电波携带信息 。这就是所谓的 “频率调制（Frequency Modulation）” 方法，简称 调频 ，或者 FM **，没错，就是听广播时的那个 “FM”。

再一次，蝙蝠早就 “掌握” 了这种技术，而且同样 "发明" 了更高级的应用方法。假设蝙蝠发出一串频率** 越来越低 的声波，声波向四周扩散，有的先遇到近处的障碍物反射回来，有的遇到远处的障碍物反射回来，因为整段声波的频率是 递减 的，所以蝙蝠就可以根据接收到的反射波的频率来判断 物体的远近 **。那么更高级的应用是什么呢？

答案是利用** 多普勒效应 来测量自身和物体的 相对速度 **。

• 在站台等火车的时候会有这样的经历：火车开过来的时候声音很尖锐，而驶离时声音变低沉，这就是** 多普勒效应 **：波在波源移向观察者接近时接收频率变高，而在波源远离观察者时接收频率变低。

简单的说，蝙蝠可以通过发出不同频率的声波，来测定目标的** 距离 **和 ** 速度 **。

一个蝙蝠的群落中，有大量的蝙蝠，他们如果同时发出声波的话，该如何处理彼此的干扰问题？

作者说，蝙蝠不会互相干扰的原因我们还不明朗。但有一个有趣的实验，要是你将蝙蝠发出的声波延迟一会反射回去，蝙蝠就会受骗，甚至会试图降落在不存在的物体上。可能的原因是，也许每只蝙蝠都有自己的特定频率，也就是自己的 “私人编码” 。 作者还提出了另一种可能的解释：蝙蝠将接收到的声波构建成一张 “** 图像 ”，来显示世界的面貌，而如果后接受到的声波和先前的图像 无法产生关联 **，蝙蝠就会将这些声波当作背景噪音过滤掉。显然这两种解释都难以让人满意，不过作者论证的重点不在此，作者通过蝙蝠精巧的回声定位系统，引出了关于生物进化的进一步思考，明日再谈。