互动科普

雄蝉是已知的叫声最响亮的昆虫，它们是专为发声而设计的。它们的内部器官惊人的复杂。

在全世界许多地方，暮春时节黄昏来临之际可能是相当喧闹嘈杂之时。数千种蝉中每年都有一部分破土而出，那些雄蝉便开始发出粗哑而近乎震耳欲聋的叫声。在昆虫王国的这些唱歌能手中，澳大利亚蝉(Cyclochila australasiae)中一个种的雄蝉以拥有迄今为止公认其叫声最响的昆虫而名闻遐迩。

该蝉所发出的叫声，频率达4.3千赫，在一米范围内达到100分贝，其音量和强度类似于人所发出的惊叫声。当然，只不过这种雄蝉不是单独地而是与一个常常由数十只乃至数百只其它雄蝉一起组成合唱团齐声歌唱。因而所获得的效果类似于满满一屋子人同时发出的惊叫声。

这些相当小的生物——其全长仅为60毫米——如何能发出这种使人焦躁不安的吵闹声至今仍是一个未解之谜。尽管这些昆虫一出现便受到了人们的关注——在美国，这些蝉的定期出现成了传媒关注的事件——但是关于蝉的生物声学问题却一直未得到认真的研究。1954年，J．W．S．Pringle发表了一篇关于蝉声产生过程的、具有创新意义的论文，在此之后，这一前沿研究出现了一段相当沉寂的时期。在过去七年间，墨尔本大学的David Young和我一直集中力量研究这些昆虫的发声声学原理和结构。利用我所研制的微型传感器话筒，我们已能对澳大利亚蝉的奇妙的发音系统作一个全面的描述。

奇妙的音量

蝉是吸食植物浆汁的昆虫，与蚜虫和叶蝉关系最为密切。对于享用树液的昆虫而言，它们是一些大个头的——并且较为喧闹嘈杂的：最小的长10毫米(将近0．5英寸)，最大的达100毫米(4英寸)。雌蝉将卵产于植物的茎杆或树中。其后，新孵出的幼虫掉落到地面并打洞寻找植物根部以便抽吸汁液。在其整个幼虫生长期中，它们都一直留在地下，而它们的幼虫生长期可持续多年,美国周期性蝉具有13年和17年的生活周期，属于寿命最长的蝉。当其幼虫破土而出时，它们便蜕皮而成有翅成虫，然后仅存活几周时间。在这段时间里，雄蝉尽情高歌、叫得死去活来，以吸引配偶。(蝉还能发出其它叫声：一种表示拒绝的叫声乃至相当刺耳的求爱声。)

这些昆虫的求偶叫声为何如此响亮，其原因不完全了解。有一种可能在于这种叫声可以充满捕食者的耳朵，使之难于准确判定蝉所在的位置。或者可能是因为较大的蝉具有较大的活动领域，必须叫得更响亮些以吸引配偶。我们的确知道，雌蝉听到这类叫声并不困难：它们对阈值达30到40分贝的叫声听起来恰到好处。而且很可能的是，雌蝉能根据叫声的音量和音质来区分雄蝉，正如雌蟋蟀的做法一样。

环绕声

要了解雄蝉是如何发出响亮叫声的关键在于将发声结构的各个部分分别加以分析。其主要发声器官是一对半球形鼓室，即鼓状结构，位于蝉的腹部的两侧。这两个弹性共鸣器官中的每一个都有一排沿其表面上、下纵向移动的四块凸状肋。这些肋相互间为弹性连接，并与鼓室背面的一块较大的卵圆形板块成弹形连接。

反过来，附着于每块卵圆形鼓室板上的是一大块牢牢粘附的肌肉。肌肉收缩便会使半球形鼓室变形，发出声脉冲。由于这两块鼓室肌分别以240赫兹的频率交替收缩，因而由鼓室产生的声音具有一种240赫兹的变调。(赫兹为频率单位，1赫兹为1周／秒：因此1千赫兹表示1000周／秒的频率。)

由于这两块鼓室肌收缩得如此之迅速，因而在每次收缩的头3毫秒里它们会产生很大的能量，足以使每个鼓室上的两块或三块弯曲的肋依次发生弯曲变形。这种变形运动使卵圆形板分两次或三次依次向内移动。在逐次运动中所释放的已存储的弹性能便随着各肋弯曲而发出短暂而响亮的卡嗒声。这一系列卡嗒声合并形成一连串的4.3千赫蝉声频率振动。

一块鼓室肋的卡嗒声能在蝉的腹内产生较高的声压——高达158分贝。(该压力大致相当于一颗手榴弹在一米开外爆炸所产生的压力。)在大多数种类的蝉中，其腹部多半由一气囊所充满，在澳大利亚蝉中，此气囊体积为1．8毫升，占据了蝉腹部的70% 。蝉的腹部有一对薄薄的耳鼓，这对耳鼓扩大了腹部表面的整个宽度并起着声学窗口的作用，它将气囊与外部世界联系起来。

由鼓室和肋产生的高压声脉冲在腹部气囊中产生和谐的共鸣。由于耳鼓大于鼓室，因而它们可充当一种使声音超越其身体向外扩散的有效工具一一使声音比直接从微小鼓室发出要响亮20倍左右。因此，这种昆虫便设法在一个较大的范围上传送声音。

令人奇怪的是，这种158分贝的声音却未损坏雄蝉的耳朵，使之成为碎块。虽然声音是借助于耳鼓扩散出去的，但是雄蝉耳朵的感觉部位却处于一个分离的囊中，该囊经一根小管与耳鼓连接起来。这种分离状态可保护雄蝉免于成为聋子——但是我们并不知道是否的确如此。

给蝉声配乐

然而，蝉的腹部和耳鼓不只是直接将声音投入外部世界。它们还可用于保持最重要的交配叫声的音质。通过扩展腹部和打开复盖耳鼓的盖，雄蝉就能将腹部共鸣器调谐至由鼓室产生的声脉冲的4．3千赫频率。因而这样的腹部结构能够增加蝉声的纯正度或响度。它们对于鼓室来说，起着一种在音乐术语中称为共鸣声负载的作用——即，它们起着校正和平衡音响系统的作用。

一种类似的结构似乎也出现于许多其他种类的蝉中，并且一些有关发声系统也在其它发声响亮的昆虫中被描述过。可是据我们所知，这种澳大利亚蝉中的雄蝉仍是现有发声最响的昆虫一一正如墨尔本和悉尼的居民非常熟知的情况那样。