人为什么听不见超声波

人耳为什么听不见超声波三十年前有部日本电视剧《犬笛》，讲述了一个小女孩可以听见犬笛发出的超声波，她被绑架后，她的父亲和他们的爱犬一起，历尽千辛万苦终于把她救出来的故事。剧情编得很有日本特色，和那时流行的《血疑》等剧一样都是在情感剧中加入一些科学的元素，给刚打开国门的中国观众耳目一新的感觉。无法考证是不是真的有人象剧中的小女孩那样可以听见超声波，但为什么普通人只能听到20到20000赫兹的声音，而包括狗、猫、鼠、蝙蝠、海豚、猴子等的大多数哺乳动物却可以听见频率高于20000赫兹的超声波呢？想比之下，人与其它哺乳动物视觉对光波的敏感频率范围差别倒不大，肉眼可以看见的光谱范围，即可见光谱，波长从380纳米的紫光到740纳米的红光，正好与到达地面的太阳光的主要能量范围一致。并且人眼对大约550纳米的绿光最敏感，这也是太阳光中强度最强的波长。这并不奇怪，视觉是在长期的进化中自然选择的结果，人和其它白天活动为主的哺乳动物看到的周围环境是反射的太阳光，而对其中强度最大的可见光区敏感是最适应生存的选择。那又是什么条件决定了人听觉的频率范围呢？声源不比太阳光那样简单，没有一个统一的频谱，这也决定了各种动物的听力频率范围会有很大的差异。听觉是动物用来探知猎物和天敌的感官，对于人来说还有语言交流的功能。人听觉频率范围的形成要从声波的物理特性和哺乳动物的进化中找原因。脊椎动物从鱼进化到可以在陆地上生活的爬行类、鸟类和哺乳类，它们的听觉器官发生了很大的变化。这主要是由于传递声波的媒质发生了巨大的变化：由水变成空气，其密度减小了700倍，声速也小了4倍左右。声波在穿越不同媒质时，会在它们的界面上产生发射，并且这两种媒介的密度和刚性的差异越大，反射的强度就越大，相应地进入下一媒质的声波强度就会越小。为了有效地传递声波，防止它被固体和空气的界面反射而损耗掉，做腹腔超声波检查时常在体表和超声探头间涂上一层胶，并常常要求膀胱充溢，就是这个道理。脊椎动物的身体由水和接近水的密度和刚性的物质构成，水中的鱼可以轻易地听到从水中传来的声音，但对于陆地脊椎动物则需要中耳中特殊的结构来匹配空气和充满液体的声音探测器——内耳之间的差异。这一点哺乳动物做得最好：声波通过空气将振动带给耳膜，再由三块听小骨组成的中耳，通过杠杆原理把声波振动的力度放大数倍；由于最后一块听小骨镫骨与内耳接触的面积较耳膜的面积小，声波振动产生的压强达到内耳时又经过一次放大。经过这样的放大，不同媒质间声波传播的匹配问题就比较好地解决了。爬行类和鸟类的听觉不如哺乳动物，它们只有一块听小骨（另两块小骨还是下颌的一部分，没有进化而移到中耳里），而且它们的内耳较短，不象哺乳动物那样长得绕成蜗形，所以它们听力的高频限很低，爬行类一般不到5000赫兹，鸟类稍强，但也很少有超过10000赫兹的。能听到频率高的声波有什么好处呢？我们知道频率和波长的乘积等于波速，在一定的媒质里声波的传播速度是一个与常数，比如室温下的空气里大约每秒340米，水中则可达每秒1500米。声波的传播中如果遇到障碍物小于它的波长的话，声波可以绕过这个障碍物继续传播下去，而较少反射回来，这就是波的衍射效应。蝙蝠能够主动发出声波，通过接收猎物反射的回波来判断猎物的方位、大小甚至移动速度的情况。由于波的衍射效应，小于声波波长的猎物反射回的声波就会很少，而难以发现。假设蝙蝠和人一样只能最高听到20000赫兹（波长为1.7厘米），那么它恐怕就会漏掉很多像蚊子大小的飞虫，幸亏它能听到最高120000赫兹（波长为0.28厘米）的超声波，能有机会吃到更多的食物了。人和其它大部分哺乳动物没有蝙蝠的“雷达”定位，只能通过双耳接收到的声音差异被动地判定声源的方位。对频率比较低、波长很长的声波，由于很容易发生衍射，两耳收到相似的声音，只能通过判断声音到达两耳的时间差来确定声源的方位。这种方法受到由神经反应决定的最小时差和双耳间距的限制，方向辨别不是很灵敏，因此家庭影院的“低音炮”不象其它的音箱需要成对放置，一般只有一个，放置的地方也不太讲究，反正人也听不出方位上有什么差别来。当声波频率比较高，波长小于两耳间距时，由于颅骨、耳廓对声波的遮蔽，加上和频率相关的衍射效应的影响，双耳接受到不同强度和品色的声音，它们的差别成为判断声源方位的主要依据。这也是为什么人戴上耳机欣赏音乐时，就没有了颅骨、耳廓对声波的遮蔽而无法重现音乐厅里的感受，只觉得声音出自自己脑袋里的某个地方。看来耳距和动物可以听到声音的频率很有关系。实验发现，大多数哺乳动物的听觉高频极限和耳距呈正比关系。少数偏离此关系的动物除了实验误差以外（让各种动物配合做好实验是不容易的），有些是因为具有硕大而可以移动的耳廓增加了更多的复杂性，还有些是因为特殊的生存环境。比如一种盲鼹鼠虽然有很小的耳距，但是听力高频极限还不如人，因为它们整日生活在地道里，在这个一维世界，只要知道声音是从前面还是后面来的就可以了，在没有自然选择的压力下，它们的听力就象视力一样，退化到够用就行的地步。因为海水中的声速是空气中的近5倍，同样频率的声音在海水中的波长是空气中的5倍，因而和人耳距差不多的海豚，听力却有蝙蝠一样的高频极限。人在哺乳动物中有较大的耳距，因而听力的高频极限也是相对较低的，只高过比人耳距更大的大象等少数动物。可是为什么哺乳动物耳距和听力高频极限有这样的线性关系呢？物理上，人较大的耳距并不妨碍接收超声波，关键是看具有接收超声波的能力是否对人有很大的好处。人们发现，听力具有较低高频极限的哺乳动物通常也具有较低的低频极限，人们猜测人损失了听力高频极限以获得在低频的补偿，毕竟前面讨论的中耳实现声音的匹配功能是有个最优的频率区域的，不可能高低兼顾，像蝙蝠就无法听到频率低于1000赫兹的声音。是人发展的语言交流选择了人的听觉具有较低的低频极限吗？不可能，因为不会说话的人的近亲黑猩猩也有类似人的听觉极限。人的听觉极限还应该只与定位声源有关。哺乳动物中，人是声源精确定位的佼佼者，可以精确到1度，强于猫（5度）等其它动物，但人只有0.5度的视觉的清晰区域也小于猫（5度）。这符合哺乳动物的生活习性：通常先是通过听觉定位到声源的大致方位，再向这个方位观察。这两个区域大小的相对一致正是自然选择的结果。