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你为什么听不到超声波?还不是因为头太大了!

柴知道  · 公众号  ·  · 2018-10-26 19:05

正文


1794年,意大利的生物学家首次证明了,蝙蝠会利用一种人类听不到的声音进行回声定位。


人们这才意识到,原来夏天的傍晚远比我们以为的要吵闹得多。



人的耳朵只能听到频率在20-20000Hz之间的声音, 那些频率超过20000Hz的声音被称为超声波,频率低于20Hz的声音被叫做次声波。



这些知识通过各种方式传递给给人类幼崽,变成了科学常识。


但你可能并没有想过……


为什么人类听不到超声波和次声波?



视频

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图文版


如果我告诉你,有一种仪器,最小可以探测到 幅度只有空气分子直径十分之一的振动,引起的相当于大气压十亿分之一的压力变化 ,你可能会认为这是某种先进的高科技探测仪。



但实际上,这些细小的振动和气压变化就是声音的本来面目。而这个高端探测仪,就是我们的耳朵。


我们很少会意识到,“听见声音”是一件多么了不起的复杂工程。



环境中的声音,会被耳廓收集起来(放大两倍),经由耳道传递到鼓膜,引起鼓膜振动(放大15倍),鼓膜的振动又经由听小骨传递到耳蜗(放大三倍),在那里转化为神经信号。


问题的关键就在于耳蜗的结构:它由一根充满淋巴液的椎管盘曲成类似蜗牛壳的形状,不同频率的声音,会刺激耳蜗上不同区域。



科学家们已经知道, 耳蜗外圈和内圈的半径比值,决定了耳朵听到声音的最低频率。


低频声波会刺激耳蜗的最顶端,更高频率的声音则会像钢琴键一样,顺着耳蜗的弯曲一直刺激到底部末端。


所以简单来说,人之所以听不见次声波和超声波,是因为人的耳蜗恰好只能感知到20-20000Hz的声音。


到这里,我们得到了一个阶段性的答案。但这个问题还没有结束。


为什么人类就不能更争气一些,长出能听到更多声音的耳蜗呢?


这个问题并没有一个确切的答案,毕竟人耳来源于复杂的自然演化,而不是“造物者”的旨意。



但我们仍可以从进化的角度来给出一些解释:


对于动物来说,听觉最基本的作用,就是感知发声物体的方位。所以无论哪种动物,都有两只对称的耳朵。



如果有声音从偏右的地方传来,那么右耳就会比左耳更早地听到声音,并且由于脑袋的遮挡,左耳听到的声音会比右耳小一些。



如果把计算声源方向改成一道数学题,一个功底扎实的高中生也需要几分钟的时间才能算出结论。


但在多数情况下,我们的大脑却只需十万分之一秒的时间,就能做出准确判断。


不过也有例外:



随着声音频率降低,波长增加,更多的声音会发生衍射绕过脑袋的遮挡,这就让双耳听到的音量差别逐渐变小。


同时,更大的波长还意味着两耳听到的声音的相位差变小,这让大脑更难判断两个声音的时间差。


当声音的频率低于200Hz的时候,人就很难判断出声音的方向了。


这就解释了为什么我们在安放高级音响的时候,要左右各放一个喇叭来制造立体声效果。而普通的低音炮,就只需随便找个地方放一个就好了,反正也听不出什么区别。



可以这么说,声音的频率越低,大脑就越难判断声源的方向。


在原始的野外,既然无法通过低频的声音来进行定位,那长出能听到更低声音的大尺寸耳蜗不仅对生存帮助不大,还会挤占脑袋里寸土寸金的空间。



对于人类这种大头猴子来说,现在20HZ左右的低频听力极限已经完全够用了,而与此同时,由于耳蜗的长度有限,人耳能接收到的最高频声波也在某一位置到达了极限,也就是20000Hz。



我们很容易就能在自然界中为这一解释找到相关佐证:


比如大象有着更大的脑袋和更宽的两耳间距,在判断声音方向的能力上具有先天优势,能分辨出频率更低的声音,进化出可以听到次声波的耳蜗就显得非常合理了。



泰国的猪鼻蝙蝠可以听到最高20万hz的超声波,比人类不知道高到哪里去了,这让它成了世界上能听到声音频率最高的哺乳动物。








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