人类听觉能力的扩展

人类听觉能力的扩展_科技史与方法论

图3．4．12　勒内克

1．古代——耳朵直接听取

视觉能力是人类体质能力的一个重要方面，听觉能力同样也是。视觉帮助我们认识五颜六色的花花世界，听觉则帮助我们辨别大自然的各种声音。在古代社会时期，人类主要靠耳朵来接收声音。例如，一些古代成语“耳听八方”“耳听心受”“耳口相传”“不绝于耳”等，这些都说明耳朵对我们听觉的重要性。

人与人之间的正常交流离不开听觉。听觉在我们的日常生活中发挥着很重要的作用。它可以帮助我们在不用眼睛看的情况下就识别出具体的事物。有一个很著名的成语叫“闻鸡起舞”。我们在看不到鸡的情况下，怎么知道是鸡在叫呢？这就要归功于我们的听觉能力了。我们之前早已知道鸡的叫声是怎样的，因此，当这种声音再次传进我们的耳朵时，我们就知道这是鸡发出的声音。当我们走在街上，听到背后有熟人打招呼，我们不用回头就可以知道是谁，里面蕴含着同样的道理。都是因为听觉在发挥作用。

2．近代——辅助听觉工具

和眼睛一样，我们的耳朵也不是万能的，超过一定的范围或距离，我们的耳朵就不再起作用了。这时候，人类又开始开动脑筋，一些听觉辅助工具被发明出来。

（1）听诊器［6，22］

听诊器是一种医学仪器，用以聆听身体内的声音，如心脏、呼吸及肠胃等。听诊器的前端是一个面积较大的膜腔。而塞入耳朵的一端由于腔道细窄，气体震动幅度会比腔道大，可放大患者体内声波震动。可以说，听诊器是医生检查病人、诊断疾病的好帮手。世界上第一个听诊器的发明距今已经快200年了，你知道它是怎么发明出来的吗？下面我们就来看一下吧！

在听诊器还未发明以前，医生听诊一般采用“直接听诊”法，这是从古希腊时代流传下来的一种诊断方法，就是医生取一片布铺在病人身体有病的部位上，然后用耳朵隔着布直接贴着病人身体来“听诊”。虽然这种方法可以诊断出一些疾病，但是它既不方便又不卫生，而且隔了布后听音效果明显减弱。近代一千多年来，虽然人们一直在寻找一种更好的听诊方法，但是一直毫无进展，直到1816年，病理学家勒内克发明了听诊器。

勒内克（RenéLaennec，1781—1826年）全名何内·希欧斐列·海辛特·勒内克（René－Théophile－Hyacinthe Laennec），是一名法国著名的医学家。（如图3．4．12所示）1816年的某一天，一位贵族小姐请勒内克看病。这为小姐面容憔悴，坐在长靠椅上，紧皱着双眉，手捂胸口，看起来病得不轻。等小姐捂着胸口诉说病情后，勒内克医生怀疑她染上了心脏病。正常情况下，需要听听位贵族小姐的心音，以便使诊断的结果更加准确。但是若采用传统的“直接听诊”法，对于一位年轻的贵族小姐来说显然是不合理的。于是，勒内克冥思苦想，试图找到一种解决的方法。想着想着，勒内克的脑海里突然浮现出前几天他遇到的一件事情:在巴黎的一条街道旁，堆放着一堆修理房子用的木材。几个孩子在木料堆上玩儿，其中有个孩子用一颗大钉敲击一根木料的一端，其他的孩子都用耳朵贴在木料的另一端来听声音，敲击木料的孩子每敲打一下就问“听到什么声音了吗？”，其他孩子都笑着回答“听到了”。勒内克不禁想到，既然大钉敲击的声音可以通过木料从一段传到另一端，那么，心脏跳动的声音是否也可以通过同样的原理传递呢？他灵机一动，马上叫人找来一张厚纸，将纸紧紧地卷成一个圆筒，然后把一头按在小姐心脏的部位，另一头贴在自己的耳朵上。果然，小姐心脏跳动的声音通过纸筒清晰地穿到勒内克的耳朵里，就连其中轻微的杂音都听得一清二楚。他高兴极了，告诉小姐的病情已经确诊，并且一会儿可以开好药方。

勒内克医生回家后，又做了许多次的相关实验，终于用雪松和乌木制作一根空心木头筒，筒长30厘米，外径3厘米，内口径0．5厘米。为了便于携带，从中部分为两段，有螺纹可以旋转连接，这就是世界上第一个听诊器，如图3．4．13所示。它实际上是木质的单耳式听诊器，与现在产科用来听胎儿心音的单耳式木制听诊器很相似。勒内克将它命名为“胸部检查器”，又因为这种听诊器的样子像笛子，所以人们常称其为“医者之笛”。在1819年，勒内克将这个发明写进了《间接听诊法》一书中。从此，日常诊断方式逐渐由“直接听诊”变为“间接听诊”。但不幸的是，勒内克本人在发明听诊器不久，就因肺病于1826年去世了，年仅45岁。

听诊器问世后，不少人不断地进行改良，使其更加适合医用。1840年，英国医师乔治·菲力普·卡门改良了勒内克设计的单耳听诊器，他将两个耳栓用两条可弯曲的橡皮管连接到可与身体接触的听筒上，制成了双耳听诊器。卡门的听诊器，有助于医师听诊静脉、动脉、心、肺、肠内部的声音，甚至可以听到母体内胎儿的心音。1937年，凯尔再次改良卡门的听诊器，增加了第二个可与身体接触的听筒，可产生立体音响的效果，称为复式听诊器，它能更准确地找出病人的病症所在。可惜凯尔的改良品未被广泛采用，如图3．4．14所示。

图3．4．13　勒内克发明的听诊器

图3．4．14　凯尔发明的复式听诊器

听诊器原理简单，携带方便，很快成为医疗工具箱的一个标准器械。现在，听诊器的种类很多，大致分为一下几类:声学听诊器、电子听诊器、拍摄听诊器、胎儿听诊器、多普勒听诊器（一种电子装置，测量从身体器官内的超声波的反射波的多普勒效应）。听诊器已成为必不可少的医疗诊断工具。

（2）助听器

助听器是一种用于补偿听力损失者的听力损失，以帮助他们恢复正常听力能力的电子设备。

几个世纪以前如果人们的听力发生因难，他们的唯一选择就是自我帮助，简单地将手掌放在耳朵边形成半圆形喇叭状，虽然这样可以较好地收集声音，但是这种方法的增益效果仅为8dB左右。现在我们在日常生活中也偶尔会用到这种方法。后来，人们就根据喇叭可以收集并放大声音的原理制成一种金属的耳喇叭，如图3．4．15所示。这种耳喇叭非常巨大，携带很不方便。据说，1819年葡萄牙国王约翰六世就曾在他的御座上安装了一个耳喇叭。下跪的仆人可以对着管子大声嚷嚷。管子的一端装在御座的扶手上，另一端则装在国王的耳旁。这两种方法就是早期人们用来提高听力能力的方法。

图3．4．15　一种金属的耳喇叭

真正意义上的助听器是在19世纪发明出来的。苏格兰发明家亚历山大·格拉汉姆·贝尔（Alexander Graham Bell，1847—1922年）也想制作一种较好的助听器。贝尔研究了一些把声音转换成可增加的电信号的原理。但他的研究引导他作出的发明却不是助听器，而是另一项伟大的发明——电话。1876年，贝尔成功制成了世界上第一台电话。20年后，1896年贝尔又在电话的基础上制成了桌面助听系统（如图3．4．16所示）用于听力的改善。他被后人认为是创造了第一台用于对听力损失的人来放大声音的耳机。但根据可获得信息，他的“世界上第一台助听器”可能并没有申请专利。

图3．4．16　1896年英格兰聋校的桌面助听器

图3．4．17　1920年佩戴式碳素助听器

在1892—1991年间，陆续出现了一些电子助听器，这些助听器以碳或碳粉为原料制成。但是这些助听器的效果并不是很好。助听器的改良工作在米勒·里斯·赫切恩森手里有了新的进展，他发明了一种便于使用的电助听器。碳球麦克风被发明出来，碳球被应用于助听器，如图3．4．17所示。1901年，米勒·里斯·赫切恩森在19世纪末所做的工作结出了果实，这一年他的电子碳球助听器制作出来了，这种助听器和以前相比不仅质量可靠，而且体积小易于携带，一经问世就取得了成功。英国女王亚历山德拉（Alexandra）在加冕仪式上佩戴了它，并授予发明者一枚奖章。

虽然20世纪20年代左右的佩戴式助听器比以前笨重的助听器改良了很多，但是仍然体积较大，而且不太美观。以后，助听器逐渐向小型化发展。20世纪40年代，三级真空放大管被应用到助听器上，出现了较小的盒式助听器，如图3．4．18所示。1948年，贝尔实验室的Bardeen、Brattain和Shockley三位科学家发明了锗材料晶体管，1951年，贝尔实验室又发明锗合金晶体管，晶体管比真空管的性能更好、质量更高、体积更小，很快用于助听器制作。1953年左右，全部采用晶体管的助听器在市场上出现。1954—1960年间，新型的传感器和电池促使更加小巧美观的助听器出现了，它们有眼镜式、发卡式、耳背式（BTE）等，如图3．4．19、图3．4．20和图3．4．21所示。

图3．4．18　40年代，三级真空管放大助听器

图3．4．19　发卡式助听器

图3．4．20　眼镜式助听器

图3．4．21　耳背式助听器（BTE）

1960—1970年间，硅晶体管和集成电路飞快发展，耳内式助听器（ITE/CE）出现。第一台耳内助听器是在1957年推出的，如图3．4．22所示。从解剖学上讲它占据耳甲腔和耳甲艇，其外壳根据患者的耳甲形状定制，它适合轻度到重度的听力患者。自1973年驻极电容麦克风出现后，80年代的助听器更加隐蔽，出现了耳道式助听器（ITC/CC），如图3．4．23所示。它比ITE略小，能放入耳道更深处，适用于轻度到中重度听力患者。随着计算机的发展，八十年代末，数字可编程助听器出现。后来又推出了深耳道式助听器，完全耳道式助听器（CTC），完全耳道式助听器放置的位置可深入外耳道的第二生理弯曲，非常接近鼓膜。戴上它即使从侧面看也不易被发现。它适用于轻度到中重度听力损失患者。

图3．4．22　第一台耳内式助听器

图3．4．23　耳道式助听器

助听器发展到今天，已经非常智能化，有全数字助听器。全数字助听器有许多先进的功能，如:自动适应环境，有效降低噪声，提高言语的清晰度；模仿人类正常耳蜗功能，提高声音的自然性、真实性和舒适性，自动消除反馈声；应用数字反馈抑制技术，使助听器不会出现令人烦恼的反馈声，提高患者的语言分辨能力等。全数字助听器是集电子技术、微型计算机技术、听力学技术、仿生技术为一体的高科技产品，全数字助听器的问世，使助听器微电子工业进入了数字化、智能化时代。

助听器的发明给无数听力有障碍的人带来了福音。从其发展过程来看，其发展与信息科学与技术和智能科学与技术的发展是分不开的。助听器的发展验证了我们科学技术的进步。

3．超声波的发现与妙用

（1）蝙蝠与超声波

在人类对自然的认识还没有达到一定高度之前，人们理所当然地认为所有的动物都是靠眼睛来识别物体的方向和位置的。后来事实证明，这种想法是错误的。首先揭开这个秘密的是拉扎罗·斯帕拉捷（Lazzaro Spallanzani，1729—1799年），他是意大利著名的博物学家、生理学家和实验生理学家。他曾经做过四个关于蝙蝠的实验，揭示了蝙蝠靠耳朵而不是眼睛识别物体和捕捉猎物的事实，为“超声波”的研究提供了理论基础，为人们带来巨大的恩惠。

斯帕拉捷习惯晚饭后在附近的街道上散步，他常常看到，很多蝙蝠灵活地在空中飞来飞去，能在非常黑暗的条件下灵巧地躲过各种障碍物去捕捉飞虫，这个现象引起了他的好奇，蝙蝠凭什么特殊本领在夜空中自由自在地飞行呢，难道是因为它有一双可以在黑夜中洞悉一切的敏锐眼睛吗？

为了验证自己的猜想，他做了第一个蝙蝠实验。1793年夏季的一个夜晚，斯帕拉捷走出家门，放飞了关在笼子里做实验用的几只蝙蝠。只见蝙蝠们抖动着带有薄膜的肢翼，轻盈地飞向夜空，并发出自由自在的“吱吱”叫声。斯帕拉捷见状，不禁大叫出声，因为在放飞蝙蝠之前，他已经蒙上了蝙蝠的双眼，“蒙上眼的蝙蝠怎么能如此敏捷地飞翔呢？”他感到百思不得其解，下决心一定要解开这个谜。

斯帕拉捷想到:“既然不是靠眼睛来辨别障碍物，那么会不会是鼻子在发挥作用呢？”于是他又做了第二个实验。这一次他把蝙蝠的鼻子堵住，在夜晚放了出去，结果蝙蝠还是照样飞得轻松自如。“既然眼睛和鼻子都完全没有对蝙蝠的飞翔产生影响，那么蝙蝠又是依靠什么来躲避障碍物和捕捉食物呢？奥秘会不会在翅膀上呢？”于是斯帕拉捷又做了第三次实验。他这次在蝙蝠的翅膀上涂了一层油漆。然而，和前两次一样，这也丝毫没有影响到它们的飞行。“眼睛、鼻子、翅膀都不是蝙蝠辨别物体的因素，那到底会是什么呢？”斯帕拉捷感到非常的困惑。最后，斯帕拉捷又把蝙蝠的耳朵塞住，进行了第四次实验。这一次，飞上天的蝙蝠再也没有了之前矫健的身手，而是和一个喝醉酒的人一样，东碰西撞的，很快就跌了下来。斯帕拉捷这才恍然大悟，原来蝙蝠是靠听觉来确定方向、捕捉目标的。

斯帕拉捷的新发现引起了人们的震动，这完全打破了人们的常规理解。从此，许多科学家进一步研究了这个课题。最后，人们终于弄清楚:蝙蝠是利用“超声波”（频率高于20　000赫兹的声波）在夜间导航的。它的喉头发出一种超过人的耳朵所能听到的高频声波，这种声波沿着直线传播，一旦碰到物体就迅速返回来，它们用耳朵接收了这种返回来的超声波，使它们能够做出准确的判断，引导它们飞行，如图3．4．24所示。

图3．4．24　蝙蝠利用声音导航

“超声波”的科学原理，现已广泛地运用到航海探测、导航和医学中去了。

（2）斯帕拉捷方法

斯帕拉捷作为意大利著名的博物学家、生理学家和实验生理学家，在血液循环、消化生理、受精研究方面都有突出成果，在这里并不详细描述，只是简单分析一下上面蝙蝠实验中用到的科学方法。

1）观察实验方法

观察实验方法是蝙蝠实验中用到的一种重要方法。毫无疑问，上面的例子本身就是斯帕拉捷针对影响蝙蝠飞行和捕猎的因素进行的实验。在实验的过程中离不开观察，斯帕拉捷通过观察蝙蝠在蒙上眼睛、堵上鼻子、翅膀涂漆、塞上耳朵四种情况下的飞行情况来验证自己的想法。

2）实验假设方法

当某一变因素的存在形式限定在有限种可能（如某命题成立或不成立，如a与b大小:有大于、小于或等于三种情况）时，假设该因素处于某种情况（如命题成立，如a＞b），并以此为条件进行推理，谓之假设法。而实验假设方法就是在做出假设的情况下进行实验的方法。

实验假设方法是蝙蝠实验中的另一种重要方法。斯帕拉捷在每一次实验之前都是先提出自己的假设，然后再根据自己的假设进行实验安排，最后得到实验结果验证假设的正确性。例如，在第一次实验之前，斯帕拉捷假设眼睛是蝙蝠躲避障碍物和捕捉食物的关键因素，于是他就把蝙蝠的眼睛蒙上，在夜晚放飞蒙了眼的蝙蝠。从蝙蝠的灵活飞行中得到结论，眼睛是蝙蝠躲避障碍物和捕捉食物的关键因素这一假设是错误的。同样的道理，后面的实验也是这样的实验程序。斯帕拉捷的蝙蝠实验过程就是提出假设、实验验证假设、推翻假设、进行新的假设……他就是这样在循环四次以后，终于发现了蝙蝠飞行的秘密。

（3）雷达和声呐技术——利用超声波原理

科学家们根据超声波的科学原理进行了一系列的技术发明，其中最具有代表性的就是雷达和声呐了。

1）雷达

雷达是一种神奇的电学器具，它由电磁波的往返时间测得阻波物的距离。雷达的工作原理与蝙蝠利用超声波回声定位的原理相仿，只是雷达用电磁波取代了超声波。雷达原理是雷达设备的发射机通过天线把电磁波能量射向空间某一方向，处在此方向上的物体反射碰到的电磁波；雷达天线接收此反射波，送至接收设备进行处理，提取有关该物体的某些信息（目标物体距离，距离变化率或径向速度、方位、高度等）［23］。

在1842年，多普勒（Christian Andreas Doppler）率先提出多普勒效应的多普勒雷达。后来经过近80年的科学发展，电磁波理论得到进步，人们对于超声波定位的研究更加深入，这为雷达的出现奠定了基础。1917年，罗伯特·沃特森·瓦特（Robert Watson－Watt）成功设计雷暴定位装置，它宣告了雷达的诞生。在1936年，罗伯特·沃特森·瓦特组织的特别小组奉英国政府之命在索夫克海岸架起了英国第一个雷达站。后来在沿海地区又增设了许多雷达站，形成雷达网，它们在第二次世界大战中发挥了重要作用。1935年，法国古顿（Gutton）研制出用磁控管产生16厘米波长的电磁波，可以在雾天或黑夜发现其他船只，这是雷达和平利用的开始。1937年，美国第一个军舰雷达XAF试验成功。1941年苏联最早在飞机上装备预警雷达。1943年美国麻省理工学院研制出机载雷达平面位置指示器，预警雷达。1944年马可尼公司成功设计、开发并生产“布袋式”（Bagful）系统，以及“地毡式”（Carpet）雷达干扰系统。前者用来截取德国的无线电通信，而后者则用来装备英国皇家空军（RAF）的轰炸机队。1945年第二次世界大战结束后，全凭装有特别设计的真空管——磁控管的雷达，盟军得以打败德国。1947年美国贝尔电话实验室研制出线性调频脉冲雷达。50年代中期美国装备了超距预警雷达系统，可以探寻超音速飞机。不久又研制出脉冲多普勒雷达。1959年美国通用电气公司研制出弹道导弹预警雷达系统，可跟踪3　000英里外，600英里高的导弹，预警时间为20分钟。1964年美国装置了第一个空间轨道监视雷达，用于监视人造地球卫星或空间飞行器。1971年加拿大伊朱卡等3人发明全息矩阵雷达。与此同时，数字雷达技术在美国出现。1993年美国曼彻斯特市德雷尔·麦吉尔发明了多塔查克超智能雷达，如图3．4．25所示。

图3．4．25　现代雷达

雷达的发明，不能归功于某一位科学家，乃是许多电学工程师努力研究，加以调准而成。在“二战”时，美国雷达的研究就涉及麻省理工学院的五百位科学家和工程师。现在雷达的应用非常广泛，它不仅是军事上必不可少的电子装备，而且在社会经济发展（如气象报告、资源环境监测）和科学研究（如天体研究）等方面发挥着重要作用，是人类的好帮手。

2）声呐技术［24］

声呐（超声波测距仪）是利用超声波原理进行的另一大发明。蝙蝠发出的超声波遇到障碍物就会被反射回来，迅速判断前方是什么物体，距离有多远，是食物、树干，还是敌人，然后决定进攻或躲避。声呐采用相似的方式工作。它的工作原理是利用声波在水下的传播特性，通过电声转换和信息处理，完成水下探测和通信任务。雷达主要在空中发挥其优势，声呐则是水声学中应用最广泛的一种装置，它是对水下目标进行探测、定位和通信的电子设备。

声呐技术至今已超过100年历史，它是1906年由英国海军的李维斯·理察森（Lewis Nixon）所发明。到第一次世界大战时开始被应用到战场上，用来侦测潜藏在水底的潜水艇，这些声呐只能被动听音，属于被动声纳，或者叫作“水听器”。在1915年，法国物理学家保罗·朗之万（Paul Langevin）与俄国电气工程师Constantin Chilowski合作发明了第一部用于侦测潜艇的主动式声呐设备。尽管后来压电式变换器取代了他们一开始使用的静电变换器，但他们的工作成果仍然影响了未来的声呐设计。1916年，加拿大物理学家Robert Boyle承揽下一个属于英国发明研究协会的声呐项目，Robert Boyle在1917年制作出了一个用于测试的原始型号主动声呐，由于该项目很快就划归ASDIC（Anti/Ailled Submarine Detection Investigation Committee，反潜/盟军潜艇侦测调查委员会）管辖，此种主动声呐亦被英国人称为“ASDIC”，为区别于SONAR的音译“声呐”，将ASDIC翻译为“潜艇探测器”。1918年，英国和美国都生产出了成品。1920年英国在皇家海军HMS Antrim号上测试了他们仍称为“ASDIC”的声呐设备，1922年开始投产，1923年第六驱逐舰支队装备了拥有ASDIC的舰艇。1924年在波特兰成立了一所反潜学校——皇家海军Ospery号（HMS Osprey），并且设立了一支有四艘装备了潜艇探测器的舰艇的训练舰队。1931年美国研究出了类似的装置，称为SONAR（声呐）。

声呐是水下观测和测量的重要技术手段，对于水中定位有非常重要的作用，如图3．4．26所示。

现在雷达和声呐越来越趋向智能化，但是其最根本的工作原理并没有改变，都是对于蝙蝠超声波回声定位的仿生。雷达和声呐的发明具有重大意义，不仅对科学研究有非常重要的作用，而且为人类的社会生活提供了很大的方便。

4．小结

人类听觉能力的扩展和视觉能力的扩展有非常相似的发展历程:

（1）古代社会，人类主要靠着耳朵来倾听世界的声音，是直接听取。

（2）近代时期，听诊器的问世为众多医学家带来了方便，很快成为医生间接听诊的工具；助听器则为众多的听力障碍者带来了福音；对于蝙蝠超声波定位的研究，发明了雷达和声呐，对于空中和水中的观察和测量有十分重要的意义。

图3．4．26　声呐用于水中定位

（3）现代时期，听诊器、助听器、雷达和声呐等趋向数字智能化，越来越先进，发挥的作用也越来越重要。

在科学技术繁荣的近代时期，扩展人类听觉能力的发明还有很多，在这里我们就不再进行一一介绍了。