蜂鸟是怎么嗡嗡叫的?

蜂鸟之所以如此命名，是因为它们在空中盘旋时快速拍打翅膀，每秒可达80次。现在，在高速摄像机、极其灵敏的力探测器和大量麦克风的帮助下，导致蜂鸟嗡嗡叫的物理机制已经被解开。伊娃·希金波坦从大卫·伦廷克那里听说……

大卫:我们很好奇蜂鸟是怎么嗡嗡叫的。所以当你看到蜂鸟飞过一朵花时，你会听到这种特有的嗡嗡声，我们很好奇是什么引起的。所以我们开发了一种特殊的测量装置用了2000多个麦克风这样我们就能以3D的方式记录声场并真正弄清楚它来自哪里，它的起源是什么。

伊娃:你是怎么搞到2000个麦克风的?这是不是像一个3d体育场，你把一只蜂鸟放进去，然后让它发出声音?

大卫-我喜欢这个比较。它有点像体育场。我们开发了一种特殊的飞行室，并与荷兰一家名为Sorama的公司合作，该公司开发了这些麦克风。于是邀请CEO来到我工作的加州，当时我们在斯坦福大学做这个研究，为了一些咖啡和有趣的实验，我们会用这些麦克风录下嗡嗡的声音。这就是它真正起飞的地方。最关键的是，我们并没有停止录音，我们还记录了蜂鸟盘旋时产生的力量。我说的力指的是使它们能够停留在高空的空气动力，所以升力，还有阻力，它们必须克服这些阻力才能产生升力，使它们的身体重量上升到空中，使它们能够完美地盘旋在花的前面。这也是我们第一次测量这些力。然后我们展示了这些力在翅膀来回拍打时的波动，这些很好地预测了声场，我们听到的嗡嗡声。

伊娃:哇。所以你发现你可以，通过测量力，你可以预测你将从另一端发出什么样的声音?

大卫:是的，这是关键。为了预测这一点，我们实际上使用了一个数学模型。声学的奇妙之处在于它基本上只受牛顿运动定律的支配，但对于流体来说，对吧?对于空气。当然，这不是超级简单，但它是可控的。所以我们有了这个数学方程，它可以根据基本原理预测力是如何产生声音的，以及声场是什么样的。然后我们将其与我们的录音进行比较，结果吻合。

伊娃:我想知道的一件事是，你是怎么把蜂鸟留在你的实验装置里的?你不能让它嗡嗡叫，我想，它会做它想做的事!

大卫:是的。我们更喜欢动物做他们想做的事!但工作的方式是，你给它们提供一个可以栖息的小树枝，你给它们提供一个人造花，里面有它们知道如何找到的无限量的糖水，然后它们就会每10分钟飞来一次。当它们飞过的时候，我们已经可以，通过声学麦克风，看到它飞到哪里去了。因为如果你有大约2000个麦克风，你基本上有一个声学相机。你可以看到声音是从哪里来的。所以我们可以在电脑屏幕上看到蜂鸟是如何飞行的，因为它的声音是如何在太空中传播的。然后基本上它在花的前面盘旋，然后我们开始录音。我们有超过2000个麦克风，还有多个高速摄像头，跟踪摄像头。所以我们很清楚蜂鸟在做什么。

伊娃-你是如何测量蜂鸟翅膀产生的力的?因为这可能不是一个非常高的力量。

大卫:是的，这是一个很好的问题。我们所做的是，我们有一个地板，还有天花板和所有的侧壁都安装了一个很大的碳纤维板。它与四个传感器相连，这些传感器可以快速记录力。通过结合蜂鸟在蜂鸟下面，在蜂鸟上面，在两侧，前面和后面施加的压力，通过结合所有这些，我们就得到了它在翅膀拍击中产生的合力，和翅膀拍击分解的合力。这是我们第一次有一个可以在三维中测量这些力的装置。我们确信它能起作用的原因是因为我们能够指出力是源，这很容易理解。所以羽毛摩擦不是最重要的，产生的湍流也不是最重要的。不是羽毛在鸣叫什么的。我们发现实际上只是翅膀前后移动改变了空间中空气动力的方向从而产生了声波，也就是压力波，这就产生了我们听到的嗡嗡声。所以你能做的是，如果你知道动物在飞行中产生的力，你就能预测它发出的声音。 And that's really the exciting part that we got out, we now have this really elegant model that can explain where wing sounds are coming from in flying animals.

Eva:你认为它会被用于哪些应用?

大卫:这个数学模型的奇妙之处在于，我们真的是为一个非常复杂的机翼设计了这个模型。与飞机或无人机的翅膀相比，鸟类的翅膀很精致，但所有这些翅膀都会产生噪音。这个模型很酷的地方在于它能很好地预测蜂鸟翅膀的噪音蜂鸟翅膀的运动非常复杂，产生非常复杂的力。现在我们有了一个可以更普遍应用的模型。如果我们想让无人机更安静，或者风扇更安静，或者任何旋转产生力的东西，你也可以考虑风力涡轮机。所以你现在可以想象的是，我们可以设计翅膀，使其在力量上有适当的波动，这样它们的声音，或者嗡嗡声，就会更令人愉快。我认为，这就是让我们的环境，我们自己的环境，变得更宜人的未来。我们设计我们使用的产品和系统的声音，而不是仅仅接受它们发出的声音，这样我们就能享受到更多令人愉快的声音，比如蜂鸟的嗡嗡声。