为什么人类听觉系统进化为对 20 到 20000 赫兹范围内的声音敏感，而不是其他频率范围？
| 答主：sym cheng（物理学话题下的优秀答主）（9272 人赞同了该回答）
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。）所以耳距事实上也就决定了你能听到的高频极限。
人在哺乳动物中有较大的耳距，因而听力的高频极限也是相对较低的，只高过比人耳距更大的比如大象等少数动物。
另外海水中的声速是空气中的近 5 倍，于是同样频率的声音在海水中的波长是空气中的 5 倍，因而和人耳距差不多的海豚，听力却有跟蝙蝠接近的高频极限。
最后估算个小东西：
声速大约取 300m/s ，20Hz 的声波波长是 15m , 20000Hz 的声波波长是 0.015m
0.015 * 15 = 0.225
sqrt( 0.225 )= 0.47m
数量级上差不多就是人的两个耳朵的距离。
也就是说人耳间距大约就处在人耳低频高频极限对应的波长的对数中点上。
看起来并不是那么没有关系呢~
这就是进化的力量。
题图： 图源网络
编辑： 鑫鑫向荣
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发表于 2022-6-19 10:42 AM
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