振动频率|要想成为海王，首先要学会水下听声辨位！_科技

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在陆地上我们可以通过听声辨位来判别物体的位置，但为什么同样的方法在水下貌似就行不通了呢？？
原来，这和我们的听觉系统以及不同介质的性质有关，今天我们就一起聊聊这个。
水下为什么不能定位，或者在水下玩“马可波罗”（ Marco Polo ，类似于水下闭眼捉迷藏）为什么这么难？

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源于作者，是在 Cristian Palmer发布于Unsplash上的作品改编的
在水下玩“马可波罗”的游戏体验真是太糟了！在水下，就算你一遍又一遍地大喊“波罗（Polo）” ，对我来说，也很难根据声音分辨你的位置，人的定向听力在水下失效了。
真实情况比这个更加怪异。当我们两个都在水下时，我不仅不知道你的声音从哪里传出来的，我甚至都觉得每一个声音都是从我的脑子里面出来的。
为什么会这样呢？水下声音定位什么失效了？我们脑子里的声音从哪里来的？
地面上是怎么听见声音的？
为了展示正常听力的过程，让我试着站在山顶上，像豪猪下崽一样嚎叫：

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源于作者（CC BY-SA 4.0）
能听见我的声音么？
听见声音的过程源于：人体肺中的空气被压力推到声带之间狭窄的开口，导致声带振动并不断带动空气粒子振动，这也导致人们常常错误以为发声的地点是喉咙。
这些可怜的粒子在高频振动的声带间被带着振动，因为空气是一个充满粒子的拥挤空间，粒子会带动其他粒子振动。这就像多米诺骨牌式的连锁反应，越来越多的粒子相互碰撞并开始振动。很快地，喉咙、鼻子、嘴巴和其他地方的空间中的粒子被带动着振动起来，这些粒子都随着声带振动的节奏而嗡嗡作响。
现在，以上的所有粒子都不能移动得太远。如果你在山谷里听见山顶上声音，绝不是因为粒子从山顶传到了你的耳朵里。相反，传到你耳朵里的是粒子的碰撞。简化版的示意如图所示：

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纵波，源于作者（CC BY-SA 4.0）
一系列向前移动的碰撞过程就是我们常说的纵波、压缩波、压力波或者（当你能听见时）声波。唯一要注意的一点是：真实粒子碰撞的传递形式不是沿着一条线或者一个圆，而是不断扩大的球体。尖叫的我，也就是在球体中心的声源。
如果我的声音足够大，而你的位置也不是很远的话，那些声波最终会传到你的耳朵中。

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听力的原理，源于作者（CC BY-SA 4.0）
耳朵的形状有助于声波导入到耳道中，从而使你耳道中空气的振动节奏跟声带的振动一致。然后这些振动被传递到耳道末端的一层薄膜上，称为鼓膜，它反过来把这些振动传递到你的听小骨上，听小骨是位于耳膜另一侧的三块小骨头。
这三块小骨头就像一条踢在耳蜗上的小腿，耳蜗可以看做一根装满水的管子，看起来像蜗牛壳。无论如何， “踢”的目的是引起耳蜗液体的涟漪，最终导致你听到声音。
让我们打开耳蜗，观察里面的结构：

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内部展开、缩短的耳蜗。源于作者（CC BY-SA 4.0）
耳蜗内部，有一层毛茸茸的膜，叫做基底膜，连接着耳蜗的基底，也就是“小腿踢”的地方。因此，基底膜漂浮在这个充满液体的器官中间，将整个器官分为上腔和下腔，顶部有一个通道连接两个腔。
现在，当小腿踢在耳蜗上时，耳蜗液体中会产生波纹。这些波纹沿着上腔中膜的方向传播，然后绕尖端做一个U形转弯，沿着下腔向基底传播。波纹传播时，薄膜会像风中飘扬的一面旗帜。
但是，整个薄膜的振动程度不一样，因为基底部分的膜更窄，更厚，更硬，然后随着远离基底，靠近尖端，变得更宽、更薄、更软。膜上的不同情况是因为不同区域对不同的波纹的反应的差异导致的。
如果波纹连续出现，基底膜大部分都在底端振动；而如果波纹之间的间隔比较长，振动就会向膜的顶端移动。
波纹之间的间隙取决于听小骨振动的频率，并最终取决于声带发声的频率，因此，可以通过调整声带振动的频率，来使基底膜的不同部分摆动。
应该怎样调整声带振动的频率呢？简单，通过调整尖叫的声调：声调越高，振动频率越快，反之，则越慢。
最后，要把耳蜗内这些振动转变为大脑可以处理的东西，基底膜上覆盖有小的感觉神经元，叫做“毛细胞” ，它们随着基底膜的移动向前或者向后弯曲，根据弯曲的程度，向大脑发送不同强度的电信号，因此，根据发出的不同声音，不同的毛细胞被激发，你的大脑最终接收到一种或另一种电子模式，然后解码成你所感知的不同声音。
为什么在水下不能听声辨位？
在水下为什么就不能辨别声音的位置？为了弄明白这个问题，第一步需要理解正常的听声辨位是什么原理。正常下，有两套主要的机制可以来辨位：
1. 双耳时差
（Interaural time difference）
2. 双耳音强差
（Interaural level difference）
我们以此对此进行讨论。
双耳时差
我们有两个耳朵是有原因的。这让我们看起来很好看，更重要的是，它能让我们听声辨位。当声波向你传播时，不会瞬间扫过你，而是有一个时间差。

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源于作者（CC BY-SA 4.0）
这代表当一个声音从你的左边传来时，会先传过你的左耳，再击中你的右耳；同样，从右边传来时，会先传过你的右耳，再击中你的左耳。
因此，根据你的声音的位置，敲击一只耳朵和另一只耳朵之间的时间间隔会变短或变长。然后你的大脑利用这些时差来定位声音。
然而，在水下，声波的传播速度几乎是空气的4.3倍！

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源于作者（CC BY-SA 4.0）
因为水的压缩性比空气小得多。
想想一排多米诺骨牌。如果它们挤得很紧，而你拍打了这一排的一端，那另一端几乎立即就能觉察到；而如果牌之间相距了一定距离，那么一端到另一端的状态需要一些时间才能传播。

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敲击不同间距的多米诺骨牌源于作者（CC BY-SA 4.0）
同样，声波在紧排的水粒子中的传播比在空气粒子中传播得要快。
事实上，声音在水下传播速度快到了大脑无法分辨双耳之间的时间差。除非你的大脑比空气中的大脑大四倍，才能注意到这个时间差。
注：前后传来的声音位置的辨别是通过声波和大脑对声波的扭曲来辨别的。
双耳音强差
大脑决定声音位置的另一种方法是辨别两耳的音强大小。也就是如果同一个声音，左边的声音更大些，右边的更小些，那声音就是从左边传来的。

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如果你认为双耳的强度差并不是那么大，这是对的，但是对于大脑来说，足以分辨这个差别并确定声音的位置。而在水下，声音衰减得并不是很快。

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源于作者（CC BY-SA 4.0）
在布满鹅卵石的沙滩，如果把你的头放进水下，你会发现能够清晰听到鹅卵石相互碰撞的声音。
在水下，为什么声音似乎来自你的大脑？

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源于作者（CC BY-SA 4.0）你是否有注意到，即使一条金鱼很生气，你也从没有听到过它在鱼缸里面大喊大叫。当然是因为鱼是不会叫的。但就算它们可以，你也听不到，除非你自己也浸没在鱼缸里面——这会让它们更加大喊大叫。
不管怎样，关键之处是你在水上，因此几乎不可能听到水下的声音。这是因为水和空间有个交界面，这个交界面就像一个近乎完美的声学反射镜，这意味着边界将几乎所有的声能反射回水中。所以，金鱼发出的所有声音都会反射回水下。类似的事情发生在你的耳朵中。当你把头放在水下，一些空气残留在耳膜两侧，因此会有个空气-水的交界面。

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当水下声波到达边界时，它们会立即反弹，因此你的耳膜也不会感知到声音。但是，你是怎么在水下听到声音的？
答案是：虽然声音不能通过耳道的耳膜传递，但是可以通过骨头来传递，叫做骨传导。这也是你能在水下听到声音的原因。

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与水和空气的密度差不同，水和骨头的密度差不足以反射所有的声音。因此，一大部分声波穿过你的头骨，最终击中你的耳蜗，产生一种你能感觉到的声音——尽管这声音被压低，像是从大脑里发出来的。
让我们总结一下
为什么我们不能水下听声辨位？这是因为我们的听觉处理系统没有进化到处理声波在水中传播的能力。更根本的原因是由于水和空气的密度不一样。
我们的听力处理系统可以从与空气密度相似的介质的拾取声音。如果介质的密度更大，声波速度太快，声音传播到双耳的时间差太短、音强差太小，我们的大脑无法处理。由于这两个原因，当我们在水下时，定向听力就会受阻。而又由于水与空气的交界面，骨传导会产生声音来自大脑的错觉。
尽管有这些问题，但人依然可以通过训练来利用双耳之间的空间来学会水下的听声定位。比如说马来西亚的“听鱼者” ，就是把自己淹没于水下，通过鱼发出的声音来寻找鱼。
参考资料：
[1] Tulane University: Introduction to Auditory transduction
[2] Wikipedia: Sound localization
[3] The Swim Guide: Why sound sounds funny underwater
[4] Tonmeister: Chapter 3 — Acoustics
[5] Human Auditory Localisation in a Distorted Environment: Water
作者：David B. Clear
翻译：Nuor
审校：zhenni
原文链接：
https://medium.com/i-wanna-know/why-youre-unable-to-locate-sounds-underwater-1aa0425e4a5f
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【振动频率|要想成为海王，首先要学会水下听声辨位！】编辑：Dannis

振动频率|要想成为海王，首先要学会水下听声辨位！

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