2000多个麦克风帮助发现蜂鸟是如何嗡嗡叫的

蜂鸟因其在花前盘旋觅食时发出的悦耳的嗡嗡声而得名。但直到现在，人们才弄清楚，当蜂鸟以每秒40次的速度快速拍打时，翅膀是如何发出与蜂鸟同名的声音的。来自埃因霍温理工大学，Sorama (TU/e的附属公司)和斯坦福大学的研究人员使用12台高速摄像机，6个压力板和2176个麦克风仔细观察蜂鸟。他们发现，蜂鸟柔软而复杂的羽毛翅膀发出声音的方式与昆虫的简单翅膀相似。新的见解可能有助于使风扇和无人机等设备更安静。

工程师团队首次成功地测量了飞行动物拍打翅膀发出的声音的精确来源。蜂鸟的嗡嗡声源于翅膀上下面的压力差，当翅膀前后拍打时，压力差的大小和方向都会发生变化。这些机翼上的压力差是必不可少的，因为它们提供了净空气动力，使蜂鸟能够升空和悬停。

与其他鸟类不同的是，蜂鸟的翅膀在向下和向上的振翅过程中都会产生强大的向上的空气动力，所以每振翅两次。然而，由于升力和阻力作用在机翼上的压力差都起了作用，结果表明，向上的升力压力差是嗡嗡声的主要来源。

呜呜声、嗡嗡声、嗡嗡声和嗖嗖声之间的区别

斯坦福大学的David Lentink教授说:“这就是鸟类和昆虫发出不同声音的原因。蚊子呜呜叫，蜜蜂嗡嗡叫，蜂鸟嗡嗡叫，更大的鸟“呜”。大多数鸟类相对安静，因为它们只在下拍时产生一次升力。蜂鸟和昆虫的噪音更大，因为它们每振翅两次。”

研究人员将所有测量结果结合在鸟类和昆虫翅膀的三维声学模型中。该模型不仅提供了动物如何通过拍打翅膀发出声音的生物学见解，还预测了拍打翅膀的空气动力学性能如何赋予翅膀声音的音量和音色。“蜂鸟独特的声音被认为是令人愉快的，因为翅膀上不同的空气动力产生了许多'泛音'。蜂鸟的翅膀就像一个调音优美的乐器，”Lentink笑着解释道。

高科技声音摄像机

为了建立他们的模型，科学家们检查了六只安娜蜂鸟，这是斯坦福大学最常见的物种。他们让这些鸟在一个特殊的飞行室里一只接一只地喝假花里的糖水。在鸟看不见的房间周围，摄像机、麦克风和压力传感器被设置起来，以精确记录在花前盘旋时的每一次振翅。

你不能直接去电子商店买这些设备。埃因霍温工业大学附属公司Sorama的首席执行官兼研究员Rick Scholte说:“为了使声音清晰可见，并能够详细检查它，我们使用了我公司开发的复杂的声音摄像机。为此，光学摄像机连接到由2176个麦克风组成的网络。它们的工作原理有点像热成像相机，可以让你显示热图像。我们让声音在‘热图’中可见，这使我们能够详细看到3D声场。”

新型气动力传感器

为了解释三维声音图像，了解鸟类翅膀在每个声音测量点的运动是至关重要的。为此，斯坦福大学的12台高速摄像机开始发挥作用，逐帧捕捉翅膀的精确运动。

Lentink:“但这并不是故事的结束。我们还需要测量蜂鸟翅膀在飞行中产生的空气动力。我们必须为此开发一种新仪器。”在后续的实验中，六个高度敏感的压力板首次成功记录了机翼上下运动时产生的升力和阻力。

这些tb级的数据必须同步。研究人员想要确切地知道翅膀的哪个位置会发出什么样的声音，以及这与压力差有什么关系。Scholte:“因为光的传播速度比声音快得多，我们必须分别为相机和麦克风校准每一帧，这样录音和图像才能始终准确地对应。”由于摄像机、麦克风和传感器都在房间的不同位置，研究人员还必须对此进行校正。

算法作为一个合成艺术家

一旦机翼的位置、对应的声音和压力差精确地对准了每个视频帧，研究人员就面临着解释大量数据的复杂性。研究人员利用人工智能解决了这一挑战，这是理工大学博士生、共同第一作者帕特里克·维宁斯(Patrick Wijnings)的研究成果。

wijings:“我们为此开发了一种算法，可以从测量结果中解释3D声场，这使我们能够确定蜂鸟最可能的声场。这个所谓的反问题的解决方案类似于警察面部合成艺术家所做的:使用一些线索来绘制最可靠的嫌疑人画像。通过这种方式，你可以避免测量中的微小失真改变结果的可能性。”

研究人员最终设法将所有这些结果浓缩在一个简单的3D声学模型中，该模型借鉴了飞机世界，并在数学上适应了扑翼。它预测了振翅发出的声音，不仅是蜂鸟的嗡嗡声，还有其他鸟类和蝙蝠的嗡嗡声，昆虫的嗡嗡声和哀鸣声，甚至是机器人振翅发出的噪音。

让无人机更安静

虽然这不是本研究的重点，但所获得的知识也可能有助于改进飞机和无人机的旋翼，以及笔记本电脑和吸尘器的风扇。新的见解和工具可以帮助制造像动物一样产生复杂力量的工程设备更安静。

这正是Sorama的目标:“我们让声音可见，以使设备更安静。噪音污染正成为一个日益严重的问题。一个分贝计不能解决这个问题。你需要知道声音是从哪里来的，它是如何产生的，以便能够消除它。这就是我们的声音摄像机的作用。这个蜂鸟翅膀的研究为我们提供了一个全新的、非常精确的模型作为起点，所以我们可以把我们的工作做得更好，”Scholte总结道。

参考:刘建军，刘建军，刘建军，等。振荡的空气动力如何解释蜂鸟嗡嗡声和其他动物拍动飞行的音色。eLife。2021; 10: e63107。doi:10.7554 / eLife.63107

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