这个问题很好玩。涉及的知识十分简单,但脑洞不小,特别适合科普。
我们先来打开脑洞吧。
想象你是一只正在晒太阳的非洲古猿,脑袋上顶了一套相控预警雷达。
相控预警雷达,又名耳朵。
耳朵在你眯着眼睛晒太阳的时候可以警告你:右后方四十度有个“嗷呜~”正在快速接近,估计是狼,快撒丫子跑勒您。
听觉,作为一种高效的预警机制,可以极大地提高生物的存活几率,于是出现在了现存的几乎所有高等动物的技能表中。(有听力的物种被自然选择。)
人类的听力也是一样的,它的存在意义首先是作为躲避危险的预警机制,其次才是那些花里胡哨地东西。
这就很有意思了~(很有意思的意思就是物理部分开始了)作为一种预警机制,除了能听到声音以外,更重要的一点,还必须具备分辨声源方向的能力。不然你跑错方向,人家狼多尴尬?
耳朵分辨方向的原理在中学物理里学过:靠左右耳接受到的声音的时间差,相位差,音色响度大小。
当声波频率比较高,波长小于两耳间距时,由于颅骨、耳廓对声波的遮蔽,加上和频率相关的衍射效应的影响,双耳接受到不同强度和音色的声音。这种差别就成为判断声源方位的主要依据。这也是为什么人戴上耳机欣赏音乐时,就没有了颅骨、耳廓对声波的遮蔽而无法重现音乐厅里的感受,只觉得声音出自自己脑袋里的某个地方。
但对频率低的声波,由于很容易发生衍射绕过你的脑袋,两耳接受的声音很相似。只能通过判断声音到达两耳的时间差来确定声源的方位。但这种方法受神经反应速度和双耳间距的限制,方向辨别并不是很灵敏,这也是为什么家庭影院中的“低音炮”不像其它的音箱那样需要成对放置,一般只有一个,放置的地方也不太讲究,反正人也听不出方位上有什么差别来。
所以为什么人听不到20Hz以下的声音呢,因为室温下空气中声速是340m/s,20Hz意味着波长已经大于10m了,比双耳间距大太多,听到了也无法分辨方向,于是并不能提高物种的生存几率,当然就无法进化出来。(相比之下蓝鲸就可以听到10Hz,因为人家脸大。)
所以对大多数动物来说,能听到多低的声音,跟它的双耳间距是成正比的(并不排除例外,毕竟生物界是个复杂的系统)。同时,耳膜耳蜗是有个最优的频率响应区域的,而且这个响应区域在对数坐标下基本差不多大。就是说想听低频就必须要牺牲高频性能,反之亦然。(比如蝙蝠就无法听到频率低于1000赫兹的声音