盲人用舌頭髮出舌音,將蝙蝠回聲定位的原理套用於探路,助於行走,他們憑超人的聽覺能聽到回聲信號,憑藉聽到的聲音去了解周圍路況,避開障礙物。
利用波在傳播過程中有反射現象的原理探測物體方位和距離的方式叫“回聲定位”。動物的“回聲定位”是指動物通過發射聲波,利用從物體反射回來的回波進行空間定向,具有捕捉獵物和迴避物體兩種作用。根據研究已知動物界小蝙蝠亞目的幾乎所有種類、大蝙蝠亞目的果蝠屬、鯨目的齒鯨類(即豚類)、鰭腳目的海豹和海獅、食蟲目的馬島蝟科、鼩鼱科的短尾鼩、南美的油鳥、東南亞的金絲燕及有些魚類都具有回聲定位的本領。它們的體內皆有完成回聲定位的天然聲納系統。聲納主要由“聲波發射器”、“回聲接收機”和“距離指示器”構成。在上述動物中,發現最早、研究最多的是蝙蝠的天然聲納系統,其次是海豚。
早在1793年,義大利的斯帕拉蘭扎尼(Spllanzani)在他所做的對比實驗中,就觀察到把眼睛刺瞎或用黑布蒙住的蝙蝠仍照常飛翔,但耳朵被塞住的蝙蝠卻無法正常飛行和生活。其中的奧秘直到1938年才由美國哈佛大學的克里菲恩(Griffin)揭開。他首先指明,蝙蝠自身發出的高頻率聲波及回聲是用來導航的,並加以證明。其中有一些聲波的頻率高達100000赫茲。用高頻脈衝檢測裝置可測量、證實蝙蝠在飛行中發出和接收的超音波(頻率大於20000赫茲)。人耳是無法聽見超音波的,但蝙蝠等卻聽得見。聽覺是由耳、聽神經和聽覺中樞共同活動產生的。
蝙蝠的“超音波發射器”是聲帶。因種類不同,超音波有的通過口向外發射(如蝙蝠科);有的由鼻孔向外發射(如蹄蝠科和菊頭蝠科)。由於蝙蝠發出的超音波頻率高,即波長短,近似作直線運動,這樣的聲波就能從較小的物體上反射回來;而且傳播範圍窄、散射少,適於回聲定位,因此蝙蝠能精確定位前方目標。蝙蝠的“回聲接收機”是耳朵,其中外耳和中耳具有傳音作用,反射波通過中耳的鼓膜徑由中耳三塊聽小骨的機械振動傳導到內耳。內耳具有感音換能作用,能將傳導到內耳耳蝸的聲波振動轉換成聽神經纖維的動作電位。神經衝動經聽神經傳遞到大腦皮質的聽覺中樞,即“距離指示樞”,產生聽覺。經過聽覺中樞的分析,蝙蝠一般能在1/1000秒內判斷出周圍物體的距離、形狀、大小、性質,並迅速做出反應。由於聲源的空間定位需要兩耳同時聽,來自一側的高頻率回波,到達兩耳的回波強度、波長、時間也都具有差別。所以,一般認為蝙蝠根據從兩耳接受到的回波間的差別來確定物體的距離、形狀及性質;利用回波中的波長識別物體的大小。從以下事實可知,蝙蝠回聲定位的速度快、精確性高,抗干擾能力強。高速攝影顯示,蝙蝠在0.5秒鐘之內可抓到2隻蒼蠅。從實驗室觀察記錄表明,一隻蝙蝠在15分鐘內能捕食220隻蒼蠅;還能自如地穿過用直徑0.1~0.2毫米細線編織的具有大小不等網眼的障礙網;還能排除實驗所使用的比蝙蝠本身的超音波強100~200倍的人工干擾噪聲,使正常飛翔不發生碰撞。從蝙蝠完成回聲定位的聲納系統組成來看,如果蝙蝠生下時,聲帶、耳朵、聽覺中樞三者之一有某種缺陷的話,它肯定不能存活。另一方面,儘管蝙蝠的聲納系統組成完整偶爾也難以捕住飛蟲。原因是一些被蝙蝠所捕食的蛾子已進化到不僅能感受蝙蝠的超音波,而且本身也產生超音波干擾蝙蝠的聲納系統,以此逃脫蝙蝠的捕捉。或者有的蛾子能釋放某種蝙蝠所討厭的化學物質,迫使蝙蝠遠離。
隨著蝙蝠回聲定位功能的發展、進化,其發聲器官、聽覺器官、聽覺中樞也發生了不同程度的特化。如蝙蝠的兩塊杓狀軟骨已骨化並融合在一起;控制聲帶的喉部肌肉也特別發達;有的種類(蹄蝠科、菊頭蝠科)的鼻孔周圍還長有奇特的馬蹄形鼻葉,有充當揚聲器的作用,可以把超音波聚成細束,因而保證了足夠的發射強度和精確的方向。蝙蝠的耳朵中,由軟骨組成的耳舌能以50赫茲的頻率擺動。協助蝙蝠確定回波的方向。而且耳已高度特化,有大的耳蝸和擴展的、轉動靈活的耳殼,聽覺靈敏,能夠接收由周圍物體反射回來的已經極其微弱的超音波。蝙蝠的耳蝸神經核以及四疊體下丘的體積都比較大,中耳鐙骨肌的活動和聲音的產生有關,發聲時鐙骨肌收縮,減弱耳蝸對自身叫聲的反應,接收回聲時該肌恢復原來的狀態。雖然有的蝙蝠腦重量極輕,但高度進化的聽覺中樞卻占有相當大的面積。