聲音干涉

現象

一隻飢餓的蝙蝠尖叫著發出超音波，並傾聽著來自周圍物體的回聲。其中的一道回聲聽起來好像來自於一隻美味的蛾子，於是蝙蝠便循著聲音猛撲下去，然而除了空氣，它什麼也沒有得到。這一切都是虎蛾(Bertholdia trigona)搗的鬼。一項新的研究向人們闡釋這種機智的防禦措施：這種小蛾子會發出超音波的滴答聲，從而使蝙蝠的聲納定位系統產生混亂，這就如同對無線電信號實施干擾一樣。這是科學家第一次證明自然界也存在這種聲音干涉現象。

研究

一隻虎蛾釋放的超音波滴答聲能夠對蝙蝠的聲納系統造成影響

研究人員一直對能夠發出滴答聲的虎蛾——其足跡從中美洲一直延伸到美國的科羅拉多州——感到很好奇。許多虎蛾通過震動腹部的隔膜來發出滴答聲，但是B.trigona的滴答聲卻尤其的大。參與該項研究的美國北卡羅來納州溫斯頓—塞勒姆市韋克福雷斯特大學的生物學家William Conner表示：“你把它們放在耳邊便可以聽到這種聲響。”
研究人員發現，這種“大嗓門”的虎蛾通常比它們那些裝了“消聲器”的表兄們吃得更少，但是這種快速且高調的“zzt-zzt-zzt”聲如何阻擋蝙蝠卻一直是個未解之謎。3種可能的解釋也隨即產生。一種假設提出這種滴答聲驚嚇了蝙蝠。如果真是這樣，Conner認為，蝙蝠會學著忽略這些聲音。另一種假設相信這種滴答聲可能是一個警告，從而讓蝙蝠知道這種蛾子的味道不佳。這可能是一些有毒的蛾子，例如夾竹桃虎蛾(Cycnia tenera)，而其他無毒的蛾子或許也會模仿這個方法。最後一種假設是這些蛾子可能以某種方法干擾了蝙蝠的回聲定位系統，這是因為滴答聲出現的頻率範圍正好與蝙蝠所使用的超音波的頻率相同。
為了搞清哪種假設是正確的，Conner和他的研究生設計了一項試驗。在9個夜晚，研究人員讓褐色蝙蝠和蛾子同處一室，後者用非常細的釣絲懸在天花板下。其中的一些蛾子是B.trigona，還有一些是摘除了發聲器官的B.trigona，另外還有一些不發聲或聲音很小的蛾子。研究人員同時用紅外攝像機拍攝了動物的行動。
與B.trigona相比，蝙蝠與不發聲的蛾子的接觸頻率高出了400%。研究人員發現，從一開始，蝙蝠便會追逐那些發出滴答聲的蛾子，這使第一種假設大打折扣；它們一夜又一夜地尋找B.trigona，這也使得警告假設變得不太可能。Conner說，顯然，剩下的干涉假設變得可能性最大。此外，在1/3的攻擊中，蝙蝠顯得猶豫不決，這表明它們正感到困惑。研究人員在2009年7月17日出版的美國《科學》雜誌上報告了這一研究成果。

變程干涉儀

美國哥倫布市俄亥俄州立大學的進化生物學家Mitchell Masters認為，研究人員“給出了迄今為止最有說服力的證據，從而證明了干涉假設的可能性”。

變程干涉儀的發展較早，20世紀20年代就已出現，適用於流體媒質中測量。它主要由輻射壓電晶片(見壓電性)和一塊可移動的剛性反射板組成，兩者嚴格平行，中間充滿待測流體媒質，兩者距離可以精密地調節,如圖1所示。為了避免溫度、靜壓等因素對聲速的影響，根據要求的測量準確度，還須採用恆溫裝置甚至恆壓措施。晶片被激發後向媒質發射平面超音波，經反射板反射，使得晶片和反射板間發生聲波的干涉而形成駐波。這時晶片的輻射阻抗隨晶片和反射板間的距離而周期地變化。改變這兩者間的距離時，就可發現晶片的電參量（電流或端電壓）將隨距離周期性變化，在一系列特定距離上相間出現一系列極大值和極小值,圖2表示電流對距離的關係。根據駐波原理，相鄰兩次極大值（或極小值）之間所移動的距離就等於聲波的半個波長。精確測定從某一極大（小）值開始,到達其後出現n個極大(小)值時反射板所移動的總距離L,就可求得聲波的波長λ=2L/n，再利用精確測定的聲波頻率值f，就可求得媒質的聲速
c=λf=2Lf/n。
因為頻率的測量準確度可以極高，所以變程干涉儀測量聲速的準確度主要限於長度測量的準確度，目前最高約達10-4～10-5的準確度。在上述變程干涉儀的基礎上,曾有過多種改進，例如，用一接收晶片代替反射板，並且利用接受晶片輸出電壓的極值來進行測量，就是所謂雙晶片干涉儀，適用於測量衰減較大的媒質。變程干涉儀不適用於固體媒質，因而在20世紀30年代末期又出現了定程干涉儀。定程干涉儀把輻射晶片和反射板（或接收晶片）間的距離保持為固定值d,而連續調變發射聲波的頻率。這時可發現晶片的電參量將在一系列特定頻率上相繼出現極大值和極小值。圖3表示用接收晶片充當反射板時測得的接收電壓同頻率的關係曲線，根據相鄰兩個共振頻率之差Δf可求得聲速
с=2dΔf。
定程干涉儀測量聲速絕對值的準確度同樣限於長度的測量準確度,也僅為10-4～10-5的數量級。但因d為常數,測量聲速變化的準確度卻只受頻率測量準確度的限制，故可大為提高,達10-7的數量級。用共振曲線的形狀還可求得媒質在頻率f時的聲衰減係數為α=πf/Qс,式中Q為這時共振曲線的品質因素，但測量準確度也不高。定程干涉儀的原理可用於固體媒質，把輻射晶片貼在固體試樣的一個端面，另一端面任其自由或貼上接收晶片就可實現測量，但應考慮所貼晶片對共振頻率的貢獻而加以修正，故計算公式將較複雜。聲干涉儀
一般的變程干涉儀和定程干涉儀都有聲衰減測量準確度不高和測量費時的缺點。為了提高聲衰減測量準確度，出現了所謂脈衝干涉儀，它發射的是連續波和脈衝波列的組合，仍用干涉原理測量聲速，同時用脈衝波列的方法來獲得較高準確度的聲衰減測量。此外，由於近年來電子技術的發展，已使許多新設計的聲干涉儀實現了聲速和聲衰減的自動測量。