“看见”声音——蜂鸟是如何发出嗡鸣声的

图1 一只在声学摄像机前的人造花旁悬停的蜂鸟（Lentink实验室供图）

蚊子会发出尖细的嗡嗡声，哀鸽拍打翅膀时会发出标志性的尖啸声…无论是鸟类还是昆虫，它们在扇动翅膀时都会发出各种各样的声音。声音不同的原因也许是进化机制的不同：例如，鸽子羽毛发出的声音可能是提醒鸽群逃跑的讯号，而猫头鹰则会压低翅膀发出的空气动力学声音，以悄悄靠近猎物。这种适应性进化和发声机制多种多样，以至于直到今日人们都没能完全弄明白，拍打翅膀究竟是如何产生声音的。

如今，一组研究人员表示他们已经揭秘了一种鸟类——蜂鸟的发声机制（文章见：eLife, doi: 10.7554/eLife.63107）。来自美国和荷兰的研究小组使用高速摄像机、压力板和麦克风等复杂装置，测量了蜂鸟翅膀嗡鸣声的精确生物物理来源。该团队提出的理想声学模型，能够将三维声场详细可视化，并且准确预测了蜂鸟及其他鸟类和昆虫拍打翅膀发出的声音。

飞行空气动力学

鸟类、昆虫甚至飞机飞行的空气动力学原理，都在于升力和阻力。在发表于eLife的文章中，研究人员认为这两种力也决定了鸟类拍打翅膀产生的声音。大多数鸟类飞行时几乎不会发出声音，因为它们只在向下挥翅的过程中产生一次升力。而蜂鸟在上下挥舞翅膀时，每次都会产生两次升力。研究人员发现，正是这种升力产生了蜂鸣声。

研究人员将蜂鸟选作研究对象的原因在于，蜂鸟的飞行风格与鸟类和昆虫都有相似之处。“它们翅膀的运动和非定常气动力在悬停过程中基本一致，”在空中悬停时，蜂鸟每秒拍打翅膀40次。

相机、传感器和麦克风

图2 蜂鸟在定制的飞行舱中悬停，舱内配有高速摄像机、压力传感器和麦克风阵列。（Lentink实验室供图）

为了将这一过程可视化，美国斯坦福大学和荷兰埃因霍温理工大学的研究人员开发了一个气动力平台，直接测量蜂鸟悬停时产生的三维气动力。随后他们将这些数据整合到一个空气声学模型中，来预测拍打翅膀发出的声音。

该团队首先在一个专门的飞行舱内安装了高速摄像机、压力传感器和2176个麦克风阵列。研究人员使用了三个由埃因霍温的一个衍生企业——Sorama开发的高速立体摄像机，以将声音可视化。为了解释3D声音图像，该团队使用高速摄像机逐帧捕捉翅膀的运动，同时使用压力传感器记录翅膀产生的升力和阻力。

最终，研究团队获得了数太字节的数据，将收集到的信息同步（将翅膀位置、对应的声音以及每个视频帧的压力差对准），最后使用自定义算法将所有信息压缩成3D声学模型。

消除噪音污染

研究人员利用此模型，确定了拍打翅膀的声音与不同种类动物（从蚊子、苍蝇到鹦鹉）悬停时振荡力频率之间的关系。最终，他们确定了170个不同物种的“嗡嗡声”与体重和拍动频率之间的关系。论文中解释道，在整个翅击过程中，高次谐波是蜂鸣声出现的原因，等效的一次和二谐波则会让蜂鸟发出“嗡嗡”声；而占主导地位的一谐波是大型鸟类发出更柔和的“嗖”声的原因。

未来，研究人员设想将这项研究应用于解决日益普遍的噪音污染问题。他们说，以这种方式可视化声音，可以降低无人机、电器等工程设备的噪音。