超过2000个麦克风帮助发现蜂鸟是如何鸣叫的

蜂鸟因其盘旋在花前觅食时发出悦耳的嗡嗡声而得名。但直到现在人们才弄清楚，当蜂鸟的翅膀以每秒40次的速度快速拍打时，它是如何发出蜂鸟的同名声音的。来自埃因霍温理工大学、Sorama (TU/e的一个衍生公司)和斯坦福大学的研究人员使用12个高速摄像机、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。这项新发现可能有助于让风扇和无人机等设备变得更安静。

这组工程师首次成功测量了飞行动物拍动翅膀所产生的声音的精确来源。蜂鸟的嗡嗡声源于翅膀上方和下方之间的压力差，当翅膀来回拍打时，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，因为它们提供了使蜂鸟起飞和盘旋的净空气动力。

与其他种类的鸟类不同，蜂鸟的翅膀在向下和向上的扇动中都会产生强大的向上的空气动力，所以每次扇动翅膀两次。而作用在机翼上的升力和阻力造成的压力差都有作用，向上的升力压力差是嗡嗡声的主要来源。

呜呜声，嗡嗡声，嗡嗡声和呜呜声之间的区别

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，因为它们只在向下拍击翅膀时产生一次大部分升力。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到鸟类和昆虫翅膀的3D声学模型中。该模型不仅提供了动物如何用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决定翅膀声音的音量和音色。“蜂鸟独特的声音被认为是悦耳的，因为翅膀上不同的空气动力产生了许多‘泛音’。蜂鸟的翅膀就像一架调音精美的乐器，”伦丁克笑着解释道。

高科技声音摄像机

为了得到他们的模型，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个接一个地喝假花里的糖水。在鸟看不见的房间周围，设置了摄像机、麦克风和压力传感器，以精确记录在花前盘旋时翅膀的每一次拍打。

你不能只是去电子商店买所需的设备。Sorama是埃因霍温理工大学的一个分支，该公司的首席执行官兼研究员Rick Scholte说:“为了使声音可见，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。光学摄像机为此目的连接到一个由2176个麦克风组成的网络。它们一起工作有点像热成像摄像机，可以让你显示热成像。我们让声音在‘热图’中可见，这使我们能够详细地看到3D声场。”

新型空气动力传感器

为了解释三维声音图像，必须知道在每个声音测量点鸟类翅膀的运动。为此，斯坦福大学的12台高速摄像机开始发挥作用，逐帧捕捉准确的机翼运动。

Lentink:“但这并不是故事的结局。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。”在后续实验中，六个高灵敏度的压力板最终成功记录了机翼上下移动时产生的升力和阻力，这是第一次。

然后必须同步这些tb级的数据。研究人员想确切地知道机翼的哪个位置会产生哪种声音，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，所以我们必须分别校准相机和麦克风的每一帧，这样声音记录和图像就会始终完全一致。”由于摄像头、麦克风和传感器都位于房间的不同位置，研究人员也必须对此进行校正。

算法作为一个合成艺术家

一旦机翼的位置、相应的声音和压差精确地对准每一视频帧，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，TU/e博士生和共同第一作者Patrick Wijnings的研究。

Wijnings:“我们为此开发了一种算法，可以从测量中解释3D声场，这使我们能够确定蜂鸟最可能的声场。这个所谓的逆问题的解决方案类似于警察面部合成艺术家的工作:利用一些线索绘制出最可靠的嫌疑人画像。通过这种方式，你可以避免测量中微小的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，并在数学上适应了扇动的翅膀。它可以预测翅膀扇动发出的声音，不仅是蜂鸟的嗡嗡声，还可以预测其他鸟类和蝙蝠的嗡嗡声，昆虫的嗡嗡声和呜呜声，甚至是机器人扇动翅膀发出的噪音。

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转子，以及笔记本电脑和吸尘器风扇。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，以使电器更安静。噪音污染正成为一个越来越严重的问题。单靠一个分贝计并不能解决这个问题。你需要知道声音从哪里来以及它是如何产生的，以便能够消除它。这就是我们的声音摄像机的作用。这项蜂鸟翅膀的研究为我们提供了一个全新的、非常准确的模型作为起点，所以我们可以更好地完成我们的工作，”Scholte总结道。

参考:海托华，韦金宁斯，肖尔特，等。摆动的空气动力如何解释蜂鸟鸣叫的音色以及其他动物拍打翅膀飞行的音色。eLife．2021; 10: e63107。doi:10.7554 / eLife.63107

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