工程声学/蝙蝠和海豚的回声定位

第1部分：集总声学系统 – 1.1 – 1.2 – 1.3 – 1.4 – 1.5 – 1.6 – 1.7 – 1.8 – 1.9 – 1.10 – 1.11

第2部分：一维波运动 – 2.1 – 2.2 – 2.3

第3部分：应用 – 3.1 – 3.2 – 3.3 – 3.4 – 3.5 – 3.6 – 3.7 – 3.8 – 3.9 – 3.10 – 3.11 – 3.12 – 3.13 – 3.14 – 3.15 – 3.16 – 3.17 – 3.18 – 3.19 – 3.20 – 3.21 – 3.22 – 3.23 – 3.24

回声定位是一种利用主动声呐定位物体的声学形式。许多动物，如蝙蝠和海豚，利用这种方法通过发射声音并分析反射波来狩猎、躲避捕食者和导航。具有回声定位能力的动物依赖于多个接收器，以更好地感知物体的距离和方向。通过注意反射声音的声级差异和到达时间延迟，动物可以确定物体的方位以及大小、密度和其他特征。视力障碍者也能利用生物声呐来帮助他们导航。本页将主要关注回声定位在蝙蝠和海豚中的工作原理。

声音反射

当波遇到障碍物时，它不会在那里停止，而是会发生反射、衍射和折射。斯涅耳反射定律指出

{\frac {sin\theta _{i}}{c_{1}}}={\frac {sin\theta _{t}}{c_{2}}}={\frac {sin\theta _{r}}{c_{1}}}

其中符号定义在图1中。反射定律指出入射角等于反射角 ( $\theta _{i}=\theta _{r}$ )，这在前面的等式中清楚地表明。

为了确定反射系数 $R$ ，它决定了波的反射比例，需要声阻抗，定义为 $c$ 是声速， $\rho$ 是介质的密度

Z=\rho c

仅针对流体而言，声反射系数定义为入射角和两种介质特征阻抗的函数，如 [3] 所示。

R={\frac {{\frac {Z_{2}}{Z_{1}}}-{\sqrt {1-[n-1]\tan ^{2}\theta _{1}}}}{{\frac {Z_{2}}{Z_{1}}}+{\sqrt {1-[n-1]\tan ^{2}\theta _{1}}}}}\qquad

其中

n=\left({\frac {c_{2}}{c_{1}}}\right)^{2}

对于介质 2 为固体的情况，声反射系数变为 [9]

R={\frac {(r_{n}-{\frac {r_{1}}{cos\theta _{i}}})+jx_{n}}{(r_{n}+{\frac {r_{1}}{cos\theta _{i}}})+jx_{n}}}\qquad

其中

Z_{n}=r_{n}+jx_{n}

是法向比声阻抗。

能量守恒定律指出，系统中的总能量是恒定的，因此如果能量没有被反射，那么能量要么被衍射，要么被传输到第二种介质，由于折射率的不同，能量可能会被折射。

声音定位

声音定位指的是根据探测到的声音及其来源，确定物体或“目标”方向和距离的能力。人类和动物的听觉系统都利用以下不同的线索来定位声音：双耳时间差和双耳强度级、频谱信息以及模式匹配 [8]。

要定位来自水平面（左、右和前）的声音，需要的双耳信号是

双耳时间差：用于 800 Hz 以下的频率
双耳强度级：用于 1600 Hz 以上的频率
两者兼具：用于 800 到 1600 Hz 之间的频率

双耳时间差

人类和许多动物都利用两只耳朵来帮助识别声音的位置，这被称为双耳听觉。根据声音的来源，声音会先到达右耳或左耳，因此听觉系统可以评估声音到达两个接收点的时间。这种相位延迟就是双耳时间差。两耳之间声波路径长度差 $\Delta d$ 与其角度位置 $\theta$ 之间的关系可以通过以下公式计算 [1]

\Delta d=r(\theta +sin\theta )

其中 $r$ 是两耳之间距离的一半。这主要用作方位定位的线索。因此，如果物体正对着听者，则没有双耳时间差。这种线索在低频下使用，因为头部的尺寸小于声波波长的一半，这使得两耳之间可以察觉到明显的相位延迟。然而，当频率低于 80 Hz 时，相位差变得非常小，以至于定位声源的方向变得极其困难。

双耳强度级差

当频率升高到 1600 Hz 以上时，头部的尺寸大于声波波长。相位延迟不再能够检测到声源的位置。因此，使用声级强度差来代替。声级与声源到接收器的距离成反比，也就是说，你离声源越近，声强就越高。头部产生的声影也对声级强度差有很大的影响。如图 3 所示，头部会阻挡声音，降低来自声源的声强 [4]。

主动声呐

主动声纳系统发出声波信号，然后等待目标反射回的回声。蝙蝠和海豚利用主动声纳进行回声定位。该系统以发射器产生的信号开始，该信号具有声源级（SL）。该声波的强度为I(r)，其中r为距离声源的距离。然后，声源信号传播到目标，同时积累传输损耗（TL）。到达目标后，一部分初始声源信号被反射回接收器，这部分信号由目标强度（TS）表示。在返回接收器的过程中，又会遇到另一部分传输损耗（TL'）。对于声源和接收器位于同一位置的单基地情况，TL等于TL'，因此，回声级（EL）可以表示为[9]

EL=10\log {\frac {I(r)\sigma }{I_{ref}4\pi }}-TL'

目标强度的公式为[9]

TS=10\log {\frac {\sigma }{4\pi }}

混响

当声音发出时，环境中的其他物体会导致信号散射，除了目标本身产生的回声之外，还会产生不同的回声。例如，如果我们观察水下，混响可能是由气泡、鱼类、海面和底部或浮游生物引起的。这些背景信号会掩盖目标的回声，因此，需要找到混响级（RL）来区分回声级。RL 的公式如下

$TS_{R}$ 表示混响区域的目标强度，定义为

TS_{R}=S_{v}+10\log V=S_{A}+10\log A

其中，“ $V$ （或 $A$ ）是目标所在范围内，散射声波在与目标回声相同时间内到达接收器的体积（或表面积）[9]，而 $S_{v}$ （或 $S_{A}$ ）是单位体积（或单位表面积）的散射强度。

蝙蝠的回声定位

蝙蝠通过喉部发出声音，从嘴巴或鼻孔发射。它们的叫声包括各种类型：宽带成分（频率变化）、纯音信号（恒定频率）或两者的混合。这些声音的持续时间在 0.3 到 100 毫秒之间，频率范围在 14 到 100 千赫之间[7]。每个物种的叫声都可能有所不同，并且由于它们的生活方式和狩猎习惯而以特定的方式适应了。

宽带成分用于在有背景噪音的封闭环境中狩猎。短促的叫声可以精确地定位目标。短促的快速叫声还能防止波浪重叠，从而可以利用双耳时间差。纯音信号用于在没有太多背景噪音的开放环境中狩猎。叫声持续时间更长，可以让蝙蝠在更远的距离定位猎物。在寻找猎物时，蝙蝠每秒发出 10 到 20 次声音。当它们接近目标时，发射的声波次数可以达到每秒 200 次。回声定位的正常范围约为 17 米。

对于其他哺乳动物来说，双耳时间差和双耳强度级只是用于横向检测的线索。然而，蝙蝠也可以利用双耳强度级来确定物体在垂直方向上的位置。这只有在接收到的信号是宽带信号时才适用。另一个区别是蝙蝠的耳朵能够移动，从而可以改变不同的声学线索。

蝙蝠的声导装置与大多数哺乳动物相似。然而，经过多年的进化，它们已经适应了它们的需要。其中一个特殊特征是巨大的耳廓，它可以充当声学天线和机械放大器。耳廓的运动可以使入射声波聚焦，从而放大或削弱声波。

海豚的回声定位

回声定位的基本原理在蝙蝠和海豚之间是相似的，然而，由于这两种动物生活在截然不同的环境中，因此它们之间存在着特定的特征差异。

海豚利用鼻咽区域发出各种声音（点击声、爆破脉冲和哨声）来实现两个主要功能：回声定位和交流。点击声、持续时间为 70-250 微秒、频率为 40 到 150 赫兹的缓慢速率脉冲，以及爆破声，以快速速率产生的脉冲，主要用于回声定位[1]。在发出点击声后，相关的声波会穿过海豚额头上的圆形脂肪区域——瓜状体。它的功能是充当声学透镜，将产生的声波聚焦成一个波束，向前发射。在如此高的频率下，声波在水中传播的距离并不远，因此，回声定位在 5 到 200 米的距离内对 5 到 15 厘米长的猎物最有效[6]。

当声波在撞击物体后反射时，与拥有耳廓将声波引导到内耳的蝙蝠不同，海豚通过下颌骨充满脂肪的空腔接收这种信号（图6）。由于水的声阻抗很高，这些柔软的组织也具有类似的阻抗，使声波能够传到内耳而不会被反射。然后声音传到中耳和内耳，从那里传到大脑。

参考文献

[1] Au, W. W. L., Popper, A. N., & Fay, R. R. (2000)。鲸鱼和海豚的听觉。Springer 听觉研究手册，v. 12. 纽约：Springer。
[2] Thomas, J. A., Moss, C., & Vater, M. (2004)。蝙蝠和海豚的回声定位。芝加哥：芝加哥大学出版社
[3] 波反射。(n.d.)。于 2010 年 10 月 17 日检索自 http://www.sal2000.com/ds/ds3/Acoustics/Wave%20Reflection.htm
[4] Diracdelta.co.uk，科学与工程百科全书。(n.d.)。于 2010 年 11 月 6 日检索自双耳水平差：http://www.diracdelta.co.uk/science/source/i/n/interaural%20level%20difference/source.html
[5] Murat Aytekin，J. Z. (2007 年 11 月 27 日)。第 154 届 ASA 会议，新奥尔良，路易斯安那州。于 2010 年 11 月 10 日检索自回声定位蝙蝠的声定位：听觉信号是否足够？：http://www.acoustics.org/press/154th/aytekin.html
[6] 海世界。(2002)。于 2010 年 9 月 20 日检索自瓶鼻海豚的交流和回声定位：http://www.seaworld.org/infobooks/bottlenose/echodol.html
[7] 维基百科。(2010 年 2 月 4 日)。于 2010 年 9 月 19 日检索自动物回声定位：http://en.wikipedia.org/wiki/Animal_echolocation
[8] 维基百科。(2009 年 3 月 14 日)。于 2010 年 9 月 19 日检索自声定位：http://en.wikipedia.org/wiki/Sound_localization
[9] Kinsler, L. E. (1982)。声学基础。纽约：Wiley。