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回声定位

不*** 22-03-07 全科知识

英文Echolocation；某些动物能通过口腔或鼻腔把从喉部产生的超声波发射出去，利用折回的声音来定向，这种空间定向的方法，称为回声定位。

目录原理生物学研究应用人类极限收缩展开原理

回声是当声波碰到一个障碍物（如悬崖）时，它会弹回来，我们会再听到这个声音。这种反射回来的声音称为回声。在户外空旷的地方，回声比较模糊，因为声音的震动会向四处散开，能量会散失。而在一个密闭的空间里(如隧道)，反射的声音不会跑掉，所以回声很大。回声定位蝙蝠会发出尖锐的叫声，再用灵敏的耳朵收集周围传来的回声。回声会告诉蝙蝠附近物体的位置和大小，以及物体是否在移动。这种技术称为回声定位法。它可以帮蝙蝠在黑暗中找到方向以及捕捉猎物（如飞行中的昆虫）。蝙蝠尖锐的回声我们是听不到的，但蝙蝠发出的其他声音有些是我们能听得到的。研究回声最好的地方是一片石墙（如悬崖）的附近。如果你面对悬崖大声叫，你的声音会传到悬崖再反射回来。如果声音是从悬崖的不同部分反射回来的，你就可以听到好几个回音，就好像有好几个人在回答你。

生物学研究

某些动物能通过口腔或鼻腔把从喉部产生的超声波发射出去，利用折回的声音来定向，这种空间定向的方法，称为回声定位。根据研究已知动物界小蝙蝠亚目的几乎所有种类、大蝙蝠亚目的果蝠属、鲸目的齿鲸类（即豚类）、鳍脚目的海豹和海狮、食虫目的马岛猬科、鼩鼱科的短尾鼩、南美的油鸟、东南亚的金丝燕及有些鱼类都具有回声定位的本领。它们的体内皆有完成回声定位的天然声呐系统。声纳主要由“声波发射器”、“回声接收机”和“距离指示器”构成。蝙蝠回声定位如“雷达飞兽”蝙蝠能在完全黑暗中，以极快的速度精确地飞翔，从不会同前方的物体相撞。如将它的耳蒙上，并把嘴堵上，则失去避免与物体相撞的本领。经高频脉冲检测装置测量后，证实蝙蝠在飞行时，喉内产生并能从通过口腔发出人耳听不到的超声波脉冲。人类至多能听到频率为20千赫的声音，而有的蝙蝠能发出和听到100千赫的声音。当遇到食物或障碍物时，脉冲波会反射回来，蝙蝠用两耳接受物体的反射波，并据此确定该物体的位置，并可从两耳分别接受到回波间的差别，来辨别物体的远近、形状及性质；物体的大小则由回波中的波长区别出来。大部分蝙蝠能用舌头颤动发音，有些则发出尖的鸣叫声，还有一些能由鼻孔透出声音。它们都有助于蝙蝠确定回波的方向，来决定自己要前进，还是转弯。蝙蝠在空中能利用超声波来“导航”，就能迅速准确捕捉飞虫。此外，某些海洋哺乳类能在水下发出频带很宽的声波，甚至高达30万赫。如齿鲸、海豚，能借助于附近陆地对声音的反射，用回声定位来测定方向，得知物体或海岸的位置。某些海豹、海狮也能发出水下超声波。利用波在传播过程中有反射现象的原理探测物体方位和距离的'方式叫“回声定位”。动物的“回声定位”是指动物通过发射声波，利用从物体反射回来的回波进行空间定向的方式，它有捕捉猎物和回避物体两种作用。海豚和蝙蝠回声定位及进化研究海豚和蝙蝠并没有多少相似之处，然而它们却有同一个超能力：都可以通过发出尖锐声音和监听回声来捕捉猎物。一项研究显示，该能力是它们各自通过相同的基因突变而形成的。这表明，即使差异很大的动物，也会通过相同的进化步骤，形成新特征。2010年，英国伦敦大学玛丽皇后学院的进化生物学家Stephen Rossiter和同事判定，蝙蝠和海豚中被称为压力素的特殊蛋白质有着相同的突变，会影响听力的敏感度。Rossiter的团队已经将研究扩展到整个基因组。他们对蝙蝠家族多个种类中的4种蝙蝠的基因组进行测序，其中两种蝙蝠使用回声定位，另两种不使用。玛丽皇后学院的进化生物学家Joe Parker将蝙蝠的基因组测序结果与包括宽吻海豚在内的许多其他哺乳动物进行比较。他主要关注了所有蝙蝠、海豚和至少其他5种哺乳动物的2300种单拷贝基因。他评估了在蝙蝠和海豚中，每个基因和其对应基因有多相似。该分析表明，200种基因以同样的方式进行了独立改变。人回声定位术盲人的听力通常更加敏锐，有证据显示，经过培训，他们能利用听力解读回声、进而在脑中形成一系列详细形象，包括物体距离、甚至大小和密度等。其原理是当盲人的舌头发出响亮的声音，声波撞到前方物体上后，回声会反馈到盲人的耳朵中，从而使他们能够分辨前方物体的大小、形状和距离，对于回声信息的处理可以让盲人“看见”前方的物体。大脑对这一回声信息的处理方式和正常人通过眼睛视物的处理方式有点类似，只不过学会回声定位法的盲人是通过回声在大脑中形成物体，而普通人是通过射入视网膜的光线在脑海中形成物体。

应用

回声可以用来测鱼群、潜水艇和沉到海底的船。有些船上装有回声测深器，这种仪器会把声波送到海里。而回声传回船上所花的时间，可以用来算出船下任何物体的形状和位置。它也可以用来画出海床的深度和轮廓。这种技术称为声纳，意思是声音的航行和测距。声纳是很灵敏的，它可以分辨一条大鱼和一群小鱼。未来应用研究表明手机可成为一种回声定位装置 2013年6月，瑞士洛桑联邦理工学院信号处理专家发现回声定位能使普通手机“看到”房屋的形状结构，这项最新研究发表在了最新出版的《美国国家科学院学报》期刊上。麦克风回声定位很难实现，房间的环境噪声干扰墙壁反弹的声音信号，有时这种回声反弹会重复多次。但研究数学原理发现，通过手机扬声器释放声音可产生回声效果，其原理有点儿像人们照镜子，人的眼睛注视镜面反射，只是一个虚幻成像。基于这种原理也可应用于声音，假定每个回声定位作为信号来源，形成一种矩阵，使用先进的数学算法以正确的方法聚焦回声定位，即可推断出房屋的形状结构。

人类极限

美国加利福尼亚州一名14岁男孩从3岁起就双目失明，但现在他却能像其他同龄孩子一样自由自在地溜冰、玩电子游戏，甚至踢足球和打篮球。原来，他学会了一种只有蝙蝠和海豚才会的“回声定位法”，他能通过舌头发出声音，再根据“回声”辨别出各个物体所在的位置。据美国《人物》杂志报道，现年14岁的本·昂德沃德是加州首府萨克拉曼多市人，他从3岁时双眼就患上视网膜癌而失明。但他有一种特殊的本领———“回声定位”，他的舌头会发出一系列声音流，声音碰到物体后会产生只有他自己能听见的回声：如果回声是软的，那表示前面有金属物;如果回声很浓厚，表示面前有树木;如果回声尖锐，表示前面是玻璃。通过回声的响亮和微弱程度，本还可以在心中测量出物体距自己的距离。