蝙蝠的生物声纳与雷达系统
整理/科技科
你知道声纳和雷达的定位与导航原理是怎么得出来的吗？它们是从蝙蝠的捕食能力中得到启示的。蝙蝠是人们熟悉的夜行动物，善于夜间飞行，它在黑暗中能闪电般地准确捕捉到很小的飞行昆虫。这是怎么回事呢？实际上，蝙蝠是依靠口腔中喉部的特殊构造发出很高频率的超声对猎捕物进行定位的。它所发出的超声在遇到飞行的猎捕物或障碍时就会反射回来，蝙蝠利用特殊听觉系统来接收这种反射超声信号，借以探测目标和确定飞行路线。
蝙蝠的听觉系统特别灵敏，且抗干扰能力及分辨率都十分惊人。蝙蝠靠回声定位，敏捷地跟踪猎捕物，其成功率之高，会使航天工程师们羡慕不已。蝙蝠的生物声纳除提供目标距离有多远的信息外，还能测出猎捕物（如昆虫）的飞行速度及其翅膀振动频率等信息。回波的时间延迟和多普勒频移可指出目标的距离和相对速度。快速颤振表示有昆虫翅膀在拍动。回波振幅取决于目标的相对大小（所对的角）和距离。两耳时差和振幅差能传送目标的方位信息。外耳机构内所反射的声波的干涉图可指示仰角。
目前世界上大约有800种蝙蝠具有回声定位能力。由于这800种蝙蝠生活在不同生态环境中，行为和生理特性都大不相同，它们所发射的声纳脉冲也不相同。它们中有的发射恒频，有的发射调频，也有一些发射复频（即恒频加调频）。多数种类的蝙蝠只发射一种脉冲，所发射的脉冲可持续几毫秒并能进行扫描。
蝙蝠的耳有些特别，其耳蜗内有基底膜（一张卷曲得像海螺似的细长薄膜），当声波振动耳鼓时，这种振动就被传导到基底膜，刺激膜上的纤毛细胞，再由螺旋神经细胞沿听神经纤维传递到大脑。
基底膜的外部振动是由高频（100千赫）引起的，而内部的振动是由较低的频率（10~20千赫）引起的。这两种振动能使毛细胞兴奋，而毛细胞又会使螺旋神经节细胞（即神经元）兴奋。
科学家们就利用蝙蝠的这种回声定位原理，制成了声纳和雷达。蝙蝠利用超声波定位不仅具有高度的精确性，而且具有惊人的抗干扰能力。当成千上万个蝙蝠栖息于山洞中时，会发出无法计算数量的超声波，然而它们从不相互干扰。当然研究蝙蝠是如何在超声波密集的环境中区别出哪一种超声波的反射波是自己所发射的，这对于提高雷达的灵敏度和抗干扰能力是有很大实用价值的。
声纳仪就是利用超声波的反射来测距和定位的。声纳仪由振动器、收发控制器、发射机、接收机和距离指示器等五个部分所组成。振动器常用压电晶体或铁镍材料制成，能有效地产生超声波，超声波碰到物体产生反射，反射波由接收机接收，并由距离指示器显示出所测物体的距离和方向。盲人常用的一种超声波定向仪，也是根据声纳原理制成的。
雷达也模仿蝙蝠的这种天然回声定位原理，不过雷达是利用无线电波来发现飞行物目标并自动测量其距离的一种定向和导航装置。它由定向天线、收发开关、发送机、脉冲发生器、接收机、指示器和电源等七个部分组成。雷达一般用于远程飞行物的监视、引导炮火瞄准等方面。20世纪60年代出现的激光雷达也是利用反射波测距和定位的。利用激光雷达可精确地测量月亮与地球间的距离。
此外，在水中应用超声波的专家可算是鱼类了。海洋中鱼类约有2.5万多种。很多鱼类和其他水中动物一样，都能在暗淡和浑浊的水中利用超声波进行定位。它们不仅能用耳朵灵敏地接收远距离的信号，而且还能借助身体上的侧线来感受声波。海狗、海豹、海狮在捕食时，常发出每秒为3万次的振动超声波。海豹嘴上排列着整齐的硬胡须，有人推测它就是用来接收超声波的一种天线。海豹的耳朵非常灵敏，有人训练它熟悉螺旋桨转动发出的声音，然后用它去搜索地方潜艇。这一点是一般水中听音器所做不到的。科学家们对海豹耳朵形状进行了详尽的研究，重新设计了一种水中听音器，它可以排除旋流和螺旋桨的转动所产生的噪声的干扰，已用于猎潜艇在全速航行时搜索潜艇的存在和方位。
摘自《仿生梦幻》 |
蝙蝠的生物声纳与雷达系统
