コウモリの多くは、自分が出した音の反射を利用して周囲を調べます。これをエコーロケーションといいます。超音波という名前は、主に人に聞こえる範囲より周波数が高い音を指すもので、「普通の音より特別に速い音」という意味ではありません。
入試の資料で注目したいのは、音を出してから反射音が戻るまでの時間です。ただし、音の波の一回の振動、短い音を出す一回のまとまり、そのまとまりを繰り返す間隔は別の量です。同じ図の中に複数の時間が出てきても、どことどこを比べているかを見失わないようにします。
一秒間に振動する回数と、鳴く回数
音の高さには振動数が関わります。一秒間に何回振動するかをHzという単位で表し、1kHzは1000Hzです。仮に40kHzなら、一秒間に40000回という振動の細かさを表しています。
一方、短い音のまとまりを一秒間に10回出すという場合、10は発信の回数です。一つのまとまりの中には、細かな振動がいくつも含まれます。「一秒間に10回だから10Hzの低い音」とは読めません。時計の秒針の動きと、時計が一回鳴る間に空気が振動する回数を区別するように考えます。
コウモリが利用する音の特徴は種類や状況によって異なります。すべての種類が同じ高さ、同じ長さ、同じ間隔で発信しているわけではありません。また、音を利用するから目が見えない、という意味でもありません。
戻りの時刻から、出した時刻を引く
反射音の距離計算では、受け取った時刻だけを使わず、対応する発信時刻を引きます。さらに、音は対象まで進んで戻るため、その間に進んだ道のりは往復です。音源と対象がほぼ動かないとみなす模型では、距離は「音の速さ×経過時間÷2」で求められます。
実際にはコウモリも昆虫も動きます。移動が無視できないときは、往路と復路の長さが同じとは限りません。以下の例題は基本を読むため、短い時間内の移動を無視し、空気中の音速を340m/秒とする仮の設定です。
例題1：二つの反射音が戻った
0秒に出した短い音に対し、0.010秒後と0.016秒後に反射音が戻りました。どちらも同じ発信に対応し、異なる二つの静止した対象から直接反射したものとします。対象までの距離をそれぞれ求めてください。
答え・解説：近い対象は340×0.010÷2＝1.7m、遠い対象は340×0.016÷2＝2.72mです。戻るまでの時間が長い方が、遠い対象に対応します。
二つの距離の差は2.72−1.7＝1.02mです。ただし、これが対象どうしの実際の間隔だと決まるのは、二つが同じ方向に並んでいるなどの条件があるときです。別々の方向にあるなら、音源からの距離の差だけで対象間の距離は決まりません。
例題2：次の発信までに戻る範囲
ある単純な測定装置が0.020秒ごとに音を出し、「その音の反射は、次の発信より前に戻る範囲だけで扱う」と決めました。対象が静止しているとき、この条件で測れる距離の上限の境目は何mですか。
答え・解説：340×0.020÷2＝3.4mです。3.4mちょうどでは次の発信と同時に戻るので、「前に戻る」という条件を厳密に守るなら3.4m未満になります。
この3.4mは、例題の装置に置いた区別のルールから求めた値です。実際のコウモリの能力の上限ではありません。発信音の特徴などを利用する複雑な処理もあるため、単純な模型の境界を、そのまま生物全体の限界として書かないようにします。
大きな反射音なら、必ず近いとは限らない
反射音の強さは距離だけでなく、対象の大きさ、材質、向きなどにも影響されます。小さな虫の弱い反射と、大きな壁の強い反射を比べて、強い方が必ず近いとは決められません。距離を求めたいのか、物の特徴を調べたいのかで、読む情報が変わります。
まず時間のグラフに、発信、受信、次の発信という言葉を書き込んでみてください。それから、波の細かい振動を表す図なのか、音を出すまとまりを表す図なのかを確認します。複雑に見える記録も、別々の間隔に印を付ければ計算する部分を選べます。
往復の基本はやまびこの時間と距離、高さと大きさの区別は音の大きさと高さで整理できます。
発信の記録を縦線で描くときは、線の横に「送信」「受信」と書くだけでも役立ちます。二本の線の間を測った後、その二本は同じ種類の出来事なのかを確かめます。送信から次の送信までなら繰り返しの間隔、送信から対応する受信までなら往復の時間です。横軸が共通でも、選んだ線の組によって求まる量が変わります。