蝙蝠与超声

蝙蝠超声与雷达摘要；所有教科书都是把雷达作为仿生学应用的典型事例，认为人们跟据蝙蝠能发射超声波，接收回波，进行空间定位，而发明了雷达，本文从雷达的工作原理说起，与蝙蝠的实际生活环境相对照，认为蝙蝠不可能采用雷达的空间定位原理，即根据回波判断距离，蝙蝠一定是用一种与雷达不同的原理进行空间定位的。关健词，蝙蝠，超声，雷达技术，雷达的工作原理；现今大家都认为，科学家是根据蝙蝠发射超声波，在目标上产生反射波，被蝙蝠听到，于是就测定了目标的方位这一事实发明了雷达，並作为仿生学的一个典型放进教科书，但是，一种波动，例如光波，电磁波，声波，或水波在其行进路上遇到較大的物会产生反射，这一现象科学家早就知道，关键问题是怎样将采集到的回波进行处理，将其转换成能看到，听到或感觉到的有用信息，说科学家跟据蝙幅原理而发明雷达没有什么跟据。先看雷达是如何工作的，举一个最基本的船用雷达为例，它有一个天线，这个天线既发射电波，也接收回波，它像机关炮速射似的向外发射电磁波，称为电磁脉冲，每放一炮，仃下来听回波，再放一炮，再听回波，每秒放几十炮，收几十次回波，它不仃地作360度转动，延海平面发射出一束像激光笔一样的电磁波，这个波束照到远处别的海船的就会产生反射，产生回波，被天线接收，经过放大器放大，送到一个雷达技术最关键的部件，阴极射线示波管，将天线所接收到的回波信息，转换成目视可见的周围环境的二维或三维光学图像，示波管的荧光屏上有一条扫描线，叫做时基线，它以荧光屏中心为原点，与天线同步也作360度旋转，天线转到什么方向，它就转到什么方向，当天线收到回波后会在时基线上产生一个亮点，回波延迟时问越长，时基线上的亮点离原点的距禹就越运，就是说它把延迟时转换成眼睛可以看得到的距离尺度，这样，当天线转了一圈以后，荧光屏上就能显示出海面上所有其它海船的位置。现在着蝙蝠是如何工作的，实际上蝙蝠能发两种叫声，一种叫声同麻雀等小型鸟雀的叫声非常相似，频率为几千周，蝙蝠是群居生物，用这种叫声与同伙交流信息，尋偶，母蝙蝠觅食回来，在黑暗的洞穴中尋找幼仔，另一种才是超声脉冲，只有在飞行时才发出，频率50--100千周，像机关枪声，每秒几发到十几发（人耳听不到，仪器才能测到），用耳朶听回声，探测周围环境，捕猎食物。现在人类对蝙蝠的研究和了介也就到此为止了，蝙蝠是如何靠听到的喀，喀，喀状的回声就能得周围环境信息，测定距离，到目前为至也没有人能给出一个科学的，合理的介释，现在大多数人用雷达的工作原理反推到蝙蝠，认为蝙蝠也是听取回波相对于主波的延迟时间来测定距离，测定目标的方位，但只要了观察到蝙蝠的真实生活环境及其身体构造就可看出，蝙蝠跟本不可能用雷达的工作原理进行探测，首先蝙蝠发出的不是像激光一样的细声波束，它的超声是传向四方八方的，会同时有几十个，几百个回波传回来，天上也不是只有一个蝙蝠，有几千个几万个蝙蝠同时飞行，大家都在同时大声呼叫，怎么能在雷鸣般的呼叫声中听到细小的回声，就算能听到回声，你又怎么能知道那一个是你的回声，蝙蝠身体内和脑子里也没有类似阴扱射线示波管一样的能夠把声波信息转换成光学图像的装置，它怎么能看到或听到周围环境的。我们不能，也许是永远不能知道，蝙蝠到底是真正看到了什么，或听到什么样的，但作为同是哺乳娄动物，有相同的身体器官和大脑，只是大小，灵敏度，敏感范围（如频率）有所差别，但对外界环境的感觉，反应及思维过程应该差不多，人和蝙蝠对外部环境的反应应该是差不多的，我们相信人类不具备，或不可能办到的事（能飞除外），蝙蝠也办不到。为了介释前文中作为群居生物，蝙蝠在收听回波时所遇到困难，有人说蝙蝠具有特异功能，有超强的排除干扰的能力，能夠从强大的干扰声中听到细微的回声，还具有了不起的分辨能力，能夠从众多的回波中听出自己的回波，还说蝙蝠脑子里有一台超电子什算机，能夠把听到的回波及它们各自的时延进行快速什算（我想没有每秒几千万次的远算速度算不出来），快速地转成周围环境的三维图像信息，这些都是一些毫无跟据的设想。回波的时延问题，蝙蝠在飞行时，为了防揰，以及捕猎，最关键的目标是二三米至二三十厘米之间的岩壁，树木，飞虫等，它们相应的回波时延是0,015至0,0015秒，在雷达技术中的阴极射线示波管，由干电子束的扫描速度极快，是很容易区分並显示出这么短的时间间隔，但对于生物有机体，这已超出神经细胞的反应速度，没有一个人，或一支蝙蝠能听出这么短的时间问隔，及由这间隔来判断不同物体的距离。综上所述，蝙蝠不可能采用与雷达技术相同的原理进行超声空间定位，它一定釆用一种与之不同，更方便的定位方法，本人将在另一篇文章中讨论。颠覆传统概念的蝙蝠超声定位原理及盲人超声导航器达明辉电子学高级工程师摘要现今传统的蝙蝠超声定位原理认为，蝙蝠是靠发射超声脉冲，跟据回波脉冲的延迟时间，计算目的物的距离，超声定位，建立声学的三维空间图象，然而考察蝙蝠所处的生活环境，蝙蝠跟本不可能从众多的干扰声中听到自己的超声回波，也不能根据回波的延迟时间就能建立起声学的三维空间图像。本文提出新的蝙蝠超声定位原理，蝙蝠发射超声脉冲，用耳接收超声回波，但蝙蝠的耳朵是听不见超声频率的，超声频率的回波讯号在它耳内被调制，转换成耳朵可听到的音频讯号，其频率与被探测对象的距离成正比，因而能即时判断被测目的物的距离，实行空间定位。根据本原理，设计出一种简单实用高効，真正仿生学意义上的盲人超声导航器。关键词：蝙蝠超声定位，盲人导航现今，所有的教科书都这样教导我们，蝙蝠发送超声脉冲，脉冲在目的物上反射回来，收听到回波讯号，蝙蝠跟据回波来回的时间就能算出目的物的方位和距离，实行空间定位，捕猎飞虫，但在洞穴中，周围的环境是封闭的，上下左右前后都有物体，不是只有一个物体，都会产生回波，这些回波都会重叠在一起，而且当距离很近时，这些回波回来很快，当距离为1米时，回波时间只有0.007秒，同自已发射的，强大的主波混在一起，怎么能分得清，特别是蝙蝠是群居生物，成千上万个蝙蝠同时大声呼叫，怎儿能在这么大的噪杂声中听到微弱的回声，就假定它有强大的防干扰能力，能在无数雷声般强大的主波脉冲声中听到细如蚊鸣的回波声，又怎么能知道那一个是自己的回波，怎么能实行定位功能，还有，蝙蝠要能在漆黑的洞穴中快速飞行，不仅仅是发射几个脉冲，测定前面物体的距离那么简单，它必须要发射无数个脉冲，进行一系列的计算，才能在头脑中建立一个声学的三维环境图像，才能安全，可靠地飞行。人类製造的雷达，是一个庞大的电子工程，除了众多电子设备外还必须有一台强大快速的电腦，将周围环境反射回来的无数的回波讯息的延迟时间快速转换成距离，按雷达天线波束扫描的方向显示在雷达显示屏上，才能显示周围环境的地标图。而蝙蝠发射的是宽角发射波，不能聚束，同时会有很多回波返回，凭它那绿豆般大小的大腦，怎么能同时处理周围无数个回波讯息，将其快速地转换成距离和方位讯息，指导飞行，因此，用传统的蝙蝠超声定位原理，对上面所列出的种种矛盾都无法介释，蝙蝠是不可能采用这种方法进行空间定位的，它必定是采用一种更简单，更实用的方法进行空间定位，本文提出一个与现今传统看法完全不同的新理论，能介释上述所有的矛盾。本理论认为，蝙蝠是听不见超声频率的，无论是自己的，还是别的蝙蝠发出的所有主波和回波的超声频率，它都是听不到的，蝙蝠的耳朵同人类一样，它的听觉频率上限同人类差不多，不超过二十千周，蝙蝠並不是靠分析超声回波的返回时间来计算目的物的距离，而是将收到的自巳的回波信息进行调制，转换成它可听见的低频的音频讯息，用耳朵听取周围不同物体发出不同的频率，完成空间定位功能。蝙蝠的超声定位原理蝙蝠在飞行时不断地发射超声频率的脉冲，並接收回波，用于在漆黑无光的环境中识别周围的情况，选择飞行路线，在快速飞行中防止碰撞。飞行中蝙蝠根据环境的复杂程度及紧迫感，从每一，二秒发一个超声脉冲到每秒发十几个脉冲，每个脉冲的宽度也是根据情况而随时改变，大约在几十到几百毫秒范围之间，其发射的超声脉冲波型见图一，它不是等频等幅脉冲，而是在频率上和幅度上都是按指数曲线快速遞减的超声脉冲，频率由开始时的5O千周（或更高）很快下降，幅度也由起始时十分强大而快速下降到零，这种波形很关键，下面将要讲到，正是由于这种波形，才使蝙蝠的超声定位能夠成功，这种鸣叫的波型在动物界十分普遍，所有小型乌雀，例如麻雀鸣叫的声音都是这种波形，只是体型越小，发声频率越高，如果把蝙蝠的呼叫声录下来慢速十倍播放，听起来就和麻雀的叫声一样，像是啾啾啾声。一些大型狐蝠由于体型巨大，发不出高频叫声，失去了超声定位的能力。在一千多万年以前，蝙蝠的祖先学会了用超声定位，白天跺在漆黑的洞穴中，夜晚出来觅食，跺避天敌，这种定位方法巳成功地运用了一千万年，使蝙蝠成为哺乳动物中最为繁盛的物种，现在，在世界各地，也发现有个别先天失明的盲人，掌握了用舌头发出超声脉冲，（注意！他们也是听不见超声波的），撑握了超声定位的方法，他们能行动自如，甚致能打兰球，骑自行车，但他们自己也说不清是什么道理，不少科学家和研究机关对他们进行了研究，希望能跟据他们的定位方法教别的盲人定位，或研製出盲人超声导航仪，但由于他们跟据错误的蝙幅超声定位原理，不知调制和变频功能，以为仅是听取超声回声，跟据延时就能定位，工作至今，未见成効，最后这些科学家认为这些盲人有特异功能，别人无法学会，实际上要教人用咀巴发射出合乎要求而自己又听不见的超声脉冲，也实在不容易，而且他们也不知道什么样的超声波型是正確波型，一直在等频等幅波上进行探索，因而工作没有进展。现在是本文的关键点，当我们在说话时，我们也能听到自己的声音，这声音並不是从咀巴发出到空气中，再从空气回到自巳的耳朵，而是由声带把振动传给头骨，再由头骨把声音的振动传到内耳的听觉部件，使听觉敏感部件振动而听到声音的，这就是为什么当每一个人第一次听到自己的录音时，会觉得这声音怎么这么怪，好像不是自己的声音，这是因为其传播路徑不问，传播介质也不同。现在说蝙蝠，当蝙蝠通过口鼻腔共振，向外发射出强大的超声波时，这个超声振动也通过头骨，传到了内耳的听觉器官，便听觉部件振动，起一个调制器的作用，但蝙蝠自己听不见自己的超声波的呼叫声（这点很重要，不然超声定位功能就完不成了）。假定调制频率为f1，发射波从反射体上反射回来的回波讯号频率为f2，传送到正在以f1频率振动的听觉部件上，就会产生调制作用，调制后会产生二个新的频率，f1十f2和If1一f2I，现在一共有四个频率共同作用在听觉器官上，其中f1，f2，和f1十f2，三个频率都处于超声频率，蝙蝠听不见，而lf1一f2I，卻处于音频范围，蝙蝠是能听见的，这个lf1一f2|，就是差频，或称拍频，其频率和相位是跟据反射物情况而变化的，比单一频率的等频等幅超声回波带有更多的有关物体的距离，方位，大小，形状，性质等祥细信息，下面将说明拍频是怎样把时间间隔转换成频率变化的。图二是超声发射脉冲f1和回波讯号的关系图，假定蝙蝠面前有三个物体，距离蝙蝠各为一米，二米，三米，产生的回波脉冲为f2，f3，f4，跟据声速的计算，它们的回波延迟时间分别约为0.007秒，0,014.和0.021,这么短的时间间隔，又如此短的时间差，任何生命有机体都无法分辨，但如果能把它转换成频率差，那就好分辨了，我们知道人耳对频率的变化是十分敏感的，音乐家，钢琴调音师，甚至能分辨几赫芝的变化。回波的频率和波形同f1完全相同，都是变频变幅超声波，但物体越远，超声波回来的延时越长，由于调制讯号是由口腔通过头骨直接传到内耳的，可以认为延迟时间为零，但它是变频的，频率从一开始就快速下降，在T2，T3，T4时刻假定频率己降到49千周，48千周，47千周，这时它与刚刚回来，起始频率仍为50千周的三个回波讯号相遇，产生调制，就会产生三个差频，1千周，2千周，和3千周，这几个频率蝙蝠都是听得见的，由于是变幅的，最近的物体延时最少，幅度下降最少，声音最响亮，起一个报警作用，它马上就能判断，产生1千周回波讯号，而且声响最大的物体就在跟前，必须跺避，而产生3千周回波讯号的物体距离較远，声音也较小，关係不大。釆用这种原理，发射变频变幅的超