悲情国宝:“长江女神”白鱀豚生死全纪录（电子版）92 

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 “淇 淇”传 奇

                          

                     三、神奇的白鱀豚声纳系统

                         

                     额隆：白鱀豚的“生物透声窗”

 

 白鱀豚神奇的声纳系统被誉为“水中活雷达”，让科学家们着迷。它的声音从哪里发出的？又是通过什么地方接收声信号？科学家经过长时间的研究发现，白鱀豚的额隆是其声纳系统的一个重要部件。

 在豚类鼻道的前方、头骨的上方，有一块特殊的富有弹性的隆起，它是饱含脂肪的结缔组织，即所谓瓜状脂肪体，科学家称其为“额隆”。国际科学界对豚类的声源问题形成两种观点。一种认为豚类头部的气囊是声源，在其振动后，通过额隆的脂肪传布出去；另一种认为豚类的喉部是声源，它发出声波后由额隆进行声聚焦发射出去。不论哪种观点，额隆在豚类声发射中均起着“生物透声窗”的重要作用，它是声波从产生到辐射入水的必由之路。

  

海豚头部与声发射和声接收有关的器官剖面示意图

            资料引自：陈佩薰等《白鱀豚生物学及饲养与保护》科学出版社1997

 

 白鱀豚的额隆好比人的前额，非常突出，用我们的土话可以叫它“大奔头”。

 1980年2月1－4日，南京工学院无线电工程系水声仿生研究组在本系的消声水池中，首次对一块白鱀豚额隆的切片（不是活体）进行了初步的声学测量，测量包括额隆的密度、插入损失及回波衰减。在研究组发表的题为“生物透声窗——白鱀豚额隆声学特性测量”的研究报告中，反映了国内科学界在人工饲养“淇淇”之前对白鱀豚额隆奥秘的认识过程：

 白鱀豚发射声波经额隆向外传布。我们从能量损失最小的角度出发，认为声波经过额隆是全透射。

白鱀豚额隆从解剖上看形似瓜囊，内充油脂，在白鱀豚发射声信号时，其密度可变，即波阻抗可变。这是因为白鱀豚声脉冲可能有不同的频率编码。为适应其发射不同频率声波时，都得到能量最大传输，额隆起“生物透声窗”作用。

白鱀豚在高速游泳中躲开障碍、寻觅食物（鱼），必然有赖于它的生物声纳系统的广角搜索和窄角定向，有赖于方向性波束的宽窄变化，因此为了适应觅食、定位、通讯等不同情况，我们假设白鱀豚额隆的形状可变，以改变发射方向性；额隆的曲率可变，以改变波束的聚焦。

白鱀豚额隆（包括海豚额隆）是水声透声窗的仿声课题。对改进声纳换能器和导流罩的设计，对提高发射效率，接收灵敏度，信噪比以及信号处理技术方面都是潜在的课题。

                                                声通过额隆的反射与透射

资料引自：无线电工程系水声仿生课题组“生物透声窗——白鱀豚额隆声学特性测量”

《南京工学院学报》1980年第2期

 

 1980年4月25日，安徽渔民在铜陵附近江段误捕到一头雌性白鱀豚，体长2.06米，体重115公斤。南师大的邹玉珍、蔡琬平和江苏省植物研究所的顾生明取出其湿重约115克的额隆组织，专门研究了额隆油的脂肪酸组成，发现其主要成分为甘油三酯和醋酯，与白鱀豚的回声定位有关。

 中国科学院声学研究所汪德昭教授领导的科研小组荆显英、肖友芙、景荣才三位学者以湖北沙市附近江段获得的一头体长2米、体重93公斤的雄性成体白鱀豚的新鲜标本为材料，通过整体头部实验和头部骨骼的实验及其对额隆组织（水平、沿体轴、垂直体轴）声速分布的测试，对白鱀豚额隆的声功能进行了较为深入的研究，揭示了白鱀豚额隆组织在其声纳系统中所起的作用。1982年，他们发表了研究报告“白鱀豚（Lipotes vexillifer）额隆的声功能”：

 白鱀豚的“额隆”形如香瓜……从额隆切片可明显看出其组织的不均匀性，靠近表皮是质地坚硬的结缔组织，越往里质地越松软，而含油脂越多，在其右后下方有一明显的“油核”，颜色由周围的灰色逐渐变为淡黄色。

……

指向性实验直接表明额隆的波束形成功能。额隆组织的声速分布测试结果和声线图从另一角度证明了这一功能，而且揭示了额隆波束形成的机理。特别值得注意的是，它将由头骨反射形成的波束主瓣变窄的同时，也大大地抑制了副瓣，而这正是声纳工程中需要解决而难以做到的。

……

额隆改变了波束主轴的方向，使波束更加指向前方，这是由它的声学结构所决定的，额隆水平面上声速分布图表明，明显存在左右不对称，这与整个豚头的明显不对称相一致，是其长期进化过程中所形成的。

……

额隆组织的密度由“低速核”向外层逐渐变大，接近表层时与水不相上下，而声速分布表明其外层声速亦接近水之声速。可见在额隆内部声阻抗逐渐变化直至与水的声阻抗相一致。这样使声能十分有效地辐射出去，起到声匹配作用。

 

白鱀豚头部沿体轴纵剖面示意图

资料引自：荆显英 肖友芙 景荣才“白鱀豚（Lipotes vexillifer）额隆的声功能”

《声学学报》1982年第1期

 

 如果用通俗的话说，白鱀豚的额隆具有良好的声传导能力，并具有声聚焦能力。在白鱀豚的声发射的波束形成过程中，额隆发挥了极其重要的作用。白鱀豚的发声源位于鼻道，当已经初步形成声音波束通过额隆后，就被明显地进一步加工，即使声能更集中于某一特定方向，而这一特定方向又由于额隆的作用，更集中地向前方辐射。声学专家特别注意到，白鱀豚额隆在将头骨反射形成的波束主瓣变窄的同时，也大大抑制了副瓣。同时，由于额隆表面的声阻抗同水的声阻抗互相匹配，使得声能可以十分有效地辐射出去。科学家们作了一个形象的比喻，白鱀豚的额隆相当于一个“声学透镜”，对波束具有“聚焦”功能。

荆显英等专家还提出这样一个假设：白鱀豚可以通过额隆的组织密度及形状的变化，达到声能的最大传输并改变其声纳特性。

 

额隆最大水平截面上的声速分布及等声速线图

额隆最大水平截面上的声线图

    资料引自：荆显英 肖友芙 景荣才“白鱀豚（Lipotes vexillifer）额隆的声功能”

《声学学报》1982年第1期

 

 南京工学院华明龙、钱振德、南师大周开亚与上海第六人民医院王雨初、唐天雪等几个单位的专家合作，采用水浴法测试白鱀豚额隆垂直体轴的4块切片中横截面内的声衰减和声速分布，研究声波沿额隆体轴方向的传播特性，探讨额隆对声传输和波束形成的作用。这次测试用的额隆是从一头死后不久的白鱀豚标本剖取的，额隆呈香瓜状，长110毫米，宽105毫米，高47毫米。他们在1987年发表的研究报告“白鱀豚额隆声衰减和声速的测量”中提出如下结论：

 从本次白鱀豚额隆切片的声衰减和声速测量实验表明，声波在额隆内传输时，声衰减总的来说是小的，额隆底部的声衰减较大，测试时甚至接收不到信号，并发现有两条声衰减较小的声传输途径，它们正好与两条低声速线相一致，它们的位置大致在从左、右鼻道的鼻栓出发，向头前方的水之间最短声程的两条传输线。无论从声能传输损耗的观点还是从声波传输时折向低声速区的规律来分析，额隆具有良好的声传输性，并能在一定程度上具有波束形成器的功能或起到声道的功能。

 

白鱀豚额隆切片示意图

白鱀豚额隆切片的相片（从下到上①②③④，从宽端向窄端方向拍摄）

 资料引自：华明龙、钱振德、周开亚等“白鱀豚额隆声衰减和声速的测量”

《兽类学报》1987年第7期

 

 科学家们的以上研究使我们知道，白鱀豚的奇妙额隆，正是现代人工声纳工程技术研究中需要解决而又难以做到的。有的科普文章将白鱀豚形象地誉为“水中活雷达”。其实，人类最先进的雷达与白鱀豚相比还差得远着哩。

白鱀豚的声纳系统确实是自然界的一个奇迹。

中科院水生所第一代白鱀豚专家刘仁俊为青少年撰写了一篇题为“白鱀豚的特异功能”的科普文章，通俗地阐释了白鱀豚神奇的声纳系统和回声定位功能，将其归纳为三大“特异功能”：一是白鱀豚靠声音“看东西”，即白鱀豚发出的声音，在前方碰到物体，就会反射回来。白鱀豚接收到反射回来的声音，就能很好分辨出前方是什么东西，眼睛仅仅起到一定的辅助作用。二是白鱀豚用鼻子发声，它们有三对大小不同的气囊，分别叫前庭囊、鼻额囊和前额囊，每一对气囊的口上都有活瓣控制气体的进出。前额囊与其他两对气囊之间有一个特殊的结构叫鼻塞。位于鼻道下部的前额囊可以把空气压缩，并且通过鼻塞进入前庭囊和鼻额囊，这时候空气的冲击作用和气流就会产生声音。另外，每对大小都不一样气囊会产生不同的声音。这些不同的声音讯号聚集到额隆，并借助于周围的肌肉收缩改变额隆的形状，从而达到改变声讯号的类型。白鱀豚在水里既不要张嘴，也不要打开鼻孔，所有声音都从额隆发出，就像人从喉咙发出声音一样。三是白鱀豚用嘴巴听声音，它们的长嘴巴的下颌骨形成了一个空腔叫颌腔，腔里面充满了脂肪，脂肪和中耳的鼓泡相连，能很好地传导声音。颌腔里的脂肪能传导水里的声音，而且很敏感。水里的声音通过下颌腔的脂肪传到中耳，再传到内耳，这样白鱀豚就能很好地听到水里的声音了。这种特有的声纳系统造就了白鱀豚特有的回声定位功能，使白鱀豚能在长江的惊涛骇浪中胜似闲庭信步。

在《中国名贵珍稀水生动物》一书中有这样一段介绍：“结群的白鱀豚被水冲散后能用高频率声波在几公里、甚至十几公里以外联系。”其实，这段介绍还没有得到科学研究的证实，并不准确。因为非常遗憾的是，上世纪九十年代以后，不要说对野生状态下的白鱀豚声纳系统根本不可能开展研究，由于人工饲养的白鱀豚只有一个“淇淇”，就是对人工饲养环境中白鱀豚声纳系统的研究也不得不止步于初期阶段。

 （待续）

    欢迎光临“海翁伯的博客”，本博客致力于汇集记录最全面、最系统、最详实、最严谨的白鱀豚生命档案，以此追忆我们痛失的“水中国宝”，为拯救长江江豚,为保护中华白海豚鼓与呼。