为何虫子在我们耳边嗡嗡作响如此响亮 - 《华尔街日报》

插图：托马什·瓦伦塔物理学家海伦·切尔斯基探索日常现象背后的复杂科学。阅读更多专栏请点击。

春天已至。鸟鸣声愈发嘹亮，下班时天光未暗，伦敦的绿意中探出缤纷花蕾。上周，伴随着这欢庆氛围，今季第一只飞虫嗡嗡钻入窗棂，落在一摞书本上。昆虫虽小意义重大，我也乐意与它们共处一室——但以它们的体型而言，其声响着实惊人。这位不速之客来回踱步，每次振翅起飞都打断我的阅读。为何如此微小的生物能制造这般恼人噪音？

飞虫堪称物理学奇迹。空气动力学研究早期就发现：若按飞机或鸟类的飞行原理，大黄蜂根本不可能飞起来。但它们确实做到了，因为其飞行方式更近似于在空气中"游动"。体型越小，空气越像浓稠汤汁，昆虫实则是在"划桨"。即便如此，产生升力仍需竭尽全力——它们必须以惊人速度拍打翅膀。多数昆虫每秒需振翅50-300次才能避免坠落，声音不过是意外副产品。

为保持悬浮，昆虫翅膀需向下压气后复位，搅动空气形成微小高低压区。这种规律振动以拍翅频率向外传递压力脉冲：即我们听觉范围内的声波。因体型微小，昆虫发声效率极低，唯有近在咫尺才能闻其声。这种噪音其实相当复杂：基础音是振翅频率，但翼周复杂涡流会产生二倍频谐波，甚至三倍频高音。

真正令人着迷的是，所有这些都会随方向变化。从正面听最响亮的音调可能与侧面听到的不同，这使得很难确定单一音高。但这些信号非常独特，通过嗡嗡声的确切频率可以识别物种和性别，昆虫本身可能也在做同样的事。

接着我们来到昆虫发声界的王者——蚊子。它们将这种偶然的声音转化成了交流渠道。蚊子的翅膀细长，拍打速度是大多数昆虫的两倍多——每秒700-800次——但振幅较小。这使它们成为更高效的声源，尤其在前后方向。它们的整个飞行策略都围绕着在飞行时进行交流而进化。

同种蚊子的雌雄个体发出的音调略有不同，这让每只蚊子能区分交配对象与竞争者，而求偶的标志就是双方会微调音高直至和谐共鸣。正是这种高频率拍打让人类感到烦躁。它产生更高更响的音调（虽然传播不远），这个音调由个体蚊子的生理结构决定，因此无论是否需要交流，声音都基本相同。

顾名思义，飞蝇会飞，所以昆虫的嗡嗡声将一直存在。但或许我们应将其视为一种提醒，去欣赏这些微小生物能悬浮空中的物理原理。将这种声音视为有趣而非恼人，可能会彻底改变我们对这些温暖季节来客的看法。

出现在2023年4月1日的印刷版中，标题为《为什么虫子在我们耳边嗡嗡作响如此响亮》。