声学通信

一个当一个物理物体快速振动,干扰附近的空气分子(或其他周围的介质),并产生压缩波,向远离声源的各个方向传播时,声音就产生了。当这些波与耳膜碰撞并引起机械干扰时,我们将其视为声音,内耳的感觉神经元可以检测到这种干扰。生物和非生物都能发出声音,但只有动物把声音作为交流的手段。

声音是一种非常有效的沟通方式。它可以变化频率(高音vs低音)振幅(响度),周期性(频率和振幅的时间模式)。这三个变量加在一起可以产生极其广泛和复杂的信号范围——从昆虫的求偶叫声到人类的语言和声乐。由于声波在空气中快速移动(约331米/秒),声波信号可以快速启动、停止或修改以发送时间敏感的信息。

人耳最多只能探测到大约20-20,000赫兹(每秒振动)范围内的声音频率。但一些昆虫(以及其他动物,如蝙蝠和海豚)产生和探测到的声音远远超过这个频率范围。例如,一些蚱蜢和飞蛾可以发出高达80000赫兹的超声波。昆虫学家通过一个音频换能器来研究这些高音调的声音,音频换能器是一种能将听不见的高频转换成听得见的低频的电子设备。

大多数昆虫用声波探测声音鼓膜腹部(如蚱蜢和飞蛾)或前腿胫骨(如蟋蟀和蝈蝈)。蚊子的触须能与特定频率的声音产生共鸣。但是声音振动也可以通过固体物体传播,一些昆虫(例如一些种类的蚂蚁、蜜蜂、白蚁和树跳虫)可以感觉到基板振动的机械(和弦器官)。由于这些信号是“感觉的”而不是“听到的”,它们通常被视为一种形式的触觉交流

声通信的利与弊

优点:

  • 不受环境障碍的限制
  • 有效的距离和转角
  • 高度可变,快速变化-高信息含量

缺点:

  • 可能向潜在的捕食者透露发送者的位置
  • 在“噪音”环境(例如海滨)效果较差
  • 可能代谢“昂贵”产生
  • 衰减-强度随着距离源的距离迅速下降(立方根函数)

昆虫产生声音的机制

点击声音栏可以听到下面每个例子中的声音的录音。


嘶鸣——身体的一个部分摩擦另一个部分


鼓膜-鼓状膜的肌肉振动


敲门或攻丝


嘶嘶声——迫使空气通过气门


翼振动