Morcegos e ecolocalização: veja como usam o som

Uma palma num corredor escuro

Fique num corredor comprido e vazio, feche os olhos e bata uma palma. Você ouve a palma e, um instante depois, uma cópia fraca dela, e tem uma noção aproximada da distância até a parede ao fundo. Um morcego faz a mesma coisa centenas de vezes por minuto, com sons agudos demais para ouvirmos, e faz isso bem o suficiente para capturar uma mariposa em pleno voo na escuridão total.

Isso se chama ecolocalização: emitir um som, ouvir o que volta e deduzir pelo eco onde as coisas estão e como são. Esta exposição coloca você numa caverna de calcário sem nenhuma luz. Um morcego-marrom-grande emite chamados, e você pode observar cada chamado se propagar pela caverna, refletir nas paredes, colunas, formações de gotejamento e insetos, e voltar. Quando um eco retorna à origem, ele se torna um ponto luminoso. Depois de alguns segundos, esses pontos formam uma imagem da caverna, e essa imagem é a única que o morcego tem.

Como usar a cena

Pressione "Chamado" para o morcego emitir um único chamado. A superfície luminosa é a frente do som, desenhada com mais brilho na direção para a qual o morcego aponta. Quando essa superfície alcança algo sólido, uma superfície âmbar pode começar a voltar dali, e quando o eco chega ao morcego surge um ponto no mapa de ecos. Pontos de cores quentes estão perto, pontos azuis estão longe e pontos laranja são mariposas. Os pontos desaparecem após o tempo definido pelo controle "Memória dos ecos".

Os botões sob a cena definem a câmera lenta. O som no ar percorre 343 metros num segundo, de modo que um chamado inteiro e todos os seus ecos terminariam antes que você pudesse ver alguma coisa. Com uma redução de velocidade de 100 vezes, o chamado avança devagar, a cerca de 3,4 metros por segundo. "Caçar a mariposa" faz o morcego perseguir a mariposa mais próxima à velocidade real de voo (mostrada 10 vezes mais devagar), e a taxa de chamados aumenta por conta própria conforme ele se aproxima.

No painel "Controles", você pode mudar a espécie de morcego, definir manualmente a fase da caça, interromper os chamados automáticos, ligar o som, mostrar o desvio Doppler do eco da mariposa, permitir que a mariposa interfira no sonar, acender uma lâmpada e mostrar o feixe do sonar. Sob os controles, uma calculadora de ecos faz as contas desta página para qualquer distância, temperatura e frequência. Sob a cena há uma lista de 34 animais e máquinas que encontram coisas pelo eco.

Distância a partir de um atraso

A regra central da ecolocalização é curta. O som viaja a uma velocidade conhecida. Se um eco chega um tempo t depois da emissão do chamado, o som foi até o alvo e voltou, portanto o alvo está a

distância = velocidade do som × t ÷ 2

No ar seco, a velocidade do som depende da temperatura. Ela é a raiz quadrada de 1,4 × 287,05 × T, em que T é a temperatura em kelvin. A 20 °C, isso dá 343,2 m/s. A 0 °C, são 331,3 m/s, e numa noite de verão de 30 °C, são 349,0 m/s. Um morcego numa caverna fria e outro sobre um prado quente vivem com réguas um pouco diferentes, separadas por cerca de 5 por cento.

Com 343,2 m/s, os atrasos dos ecos ficam assim:

Assim, a coluna 10 metros à frente do morcego responde depois de cerca de 58 milésimos de segundo, e a mariposa a 3 metros, depois de cerca de 17. Uma diferença de um microssegundo no atraso corresponde a uma diferença de apenas 0,17 mm na distância. Morcegos não conseguem usar uma precisão temporal tão fina, mas experimentos de James Simmons na década de 1970 mostraram que morcegos-marrons-grandes treinados conseguiam distinguir qual de dois alvos estava mais perto apenas pelo atraso do eco.

Na cena, o tempo é real: cada ponto é desenhado no momento em que seu eco chegaria, ajustado pela câmera lenta. Observe um chamado alcançar o fundo do túnel e você verá os pontos distantes se iluminarem por último.

Por que os chamados são tão agudos

A maioria dos chamados de morcegos é ultrassônica, acima do limite de aproximadamente 20 kHz da audição humana. O morcego-marrom-grande da cena faz uma varredura descendente de cerca de 50 kHz a 25 kHz em poucos milissegundos. O pipistrelo-comum é mais intenso perto de 45 kHz, e o morcego-ferradura-grande mantém um tom perto de 82 kHz.

A razão está no tamanho da onda. O comprimento de onda é a velocidade do som dividida pela frequência. A 10 kHz, ele é de 34 mm; a 35 kHz, cerca de 10 mm; a 82 kHz, cerca de 4 mm. Um alvo muito menor que o comprimento de onda quase não perturba a onda e devolve muito pouco; o eco de uma esfera pequena diminui aproximadamente com a quarta potência da razão entre tamanho e comprimento de onda. Um mosquito tem alguns milímetros de comprimento. Para obter um eco forte dele, um morcego também precisa de um comprimento de onda de alguns milímetros.

As frequências altas têm um custo. O ar absorve som, e absorve muito mais as frequências altas. Usando a fórmula padrão de absorção no ar (ISO 9613-1) a 20 °C e 50 por cento de umidade, a perda é de cerca de 0,16 dB por metro a 10 kHz, 0,52 dB a 20 kHz, 1,13 dB a 35 kHz, 2,67 dB a 82 kHz e 3,28 dB a 100 kHz. O eco paga esse preço duas vezes, na ida e na volta. A 100 kHz, um alvo a 5 metros perde 33 dB apenas para o ar.

Mude o controle "Morcego" do morcego-marrom-grande para o morcego-ferradura-grande e observe o mapa de ecos: o tom agudo desenha um mapa mais nítido, mas de menor alcance. Mude para o morcego-malhado, que emite chamados de 9 a 12 kHz, e o mapa alcança o fundo do túnel, mas cada ponto fica mais difuso.

Qual a intensidade e qual o alcance

Morcegos são barulhentos. Gravações de campo no Panamá feitas por Annemarie Surlykke e Elisabeth Kalko encontraram níveis de fonte de 122 a 134 dB SPL, medidos 10 cm à frente do morcego, para morcegos caçando em espaços abertos. Duas espécies que caçam sobre a água tiveram médias de cerca de 137 dB e ultrapassaram 140 dB. Só não ouvimos nada disso porque o som é agudo demais.

Eles precisam ser assim. Um som que se espalha em todas as direções perde 6 dB cada vez que a distância dobra. O eco se espalha novamente na volta, portanto o percurso de ida e volta perde 12 dB por duplicação da distância. Uma mariposa reflete apenas uma parte minúscula do som que a atinge. O modelo da cena usa a equação do sonar:

nível do eco = nível da fonte − 40 log₁₀(r ÷ 0,1 m) − 2 × absorção × r + intensidade de reflexão do alvo

Com um chamado de 120 dB a 10 cm, uma intensidade de reflexão da mariposa de −30 dB e um limiar auditivo de 20 dB, o morcego do modelo ouve uma mariposa até cerca de 3,5 m a 35 kHz, 3,1 m a 50 kHz e 2,6 m a 82 kHz. Uma parede de rocha devolve muito mais, por isso pode ser ouvida até cerca de 8 m a 35 kHz. Esses números são do modelo, mas correspondem ao que se vê em campo: presas são encontradas a poucos metros, paredes e árvores a várias vezes essa distância. Surlykke e Kalko também notaram que os morcegos mais barulhentos usavam as frequências mais altas, o que parece aproximar suas distâncias de detecção das dos outros.

A linha "Mariposa ouvida até" no mostrador da cena apresenta essa distância do modelo para o morcego escolhido. A mariposa só fica laranja no mapa de ecos quando está dentro desse alcance.

Busca, aproximação e zumbido terminal

Por volta de 1960, Donald Griffin e seus colegas gravaram morcegos caçando insetos e descobriram que os chamados mudam de maneira regular. Durante a busca, um morcego-marrom-grande emite cerca de 10 chamados por segundo, cada um com vários milissegundos de duração. Muitos morcegos emitem um chamado por batida de asas nessa fase, de modo que bater as asas, respirar e emitir chamados compartilham um ritmo. Ao detectar um inseto, ele entra na fase de aproximação: os chamados ficam mais curtos e mais frequentes. Nas últimas poucas centenas de milissegundos vem o zumbido terminal, quando a taxa ultrapassa 160 chamados por segundo e os chamados encolhem para bem menos de um milissegundo.

Parte da razão é simplesmente o tempo. Um morcego geralmente espera o eco que lhe interessa antes de emitir outro chamado, para que eco e chamado não se sobreponham. A 5 metros, o eco leva 29 ms, o que permite no máximo cerca de 34 chamados por segundo. A 1 metro, leva 5,8 ms, permitindo 172. A 50 cm, permite 343. Quanto mais perto a presa, mais depressa o morcego pode emitir chamados e mais vezes descobre para onde a mariposa se moveu.

Isso não explica tudo. Em 2011, Coen Elemans e colegas descobriram que morcegos têm músculos super-rápidos na laringe, entre os mais rápidos conhecidos em mamíferos, e que a taxa máxima de chamados é determinada pela velocidade de funcionamento desses músculos, não apenas pela sobreposição dos ecos. Defina o controle "Fase da caça" como "Zumbido terminal" e as superfícies saem do morcego tão depressa que ficam encaixadas umas dentro das outras.

Qual direção: duas orelhas

A distância vem do tempo. A direção vem da comparação entre as duas orelhas. Um eco vindo da direita chega à orelha direita um pouco antes da esquerda, e também é um pouco mais forte ali, porque a cabeça protege a orelha distante do som. No modelo, as orelhas ficam separadas por cerca de 1,6 cm, portanto a maior diferença de tempo, para um eco vindo diretamente de lado, é de cerca de 47 microssegundos. Um eco a 10 graus do centro produz cerca de 8 microssegundos. O mostrador apresenta essa diferença para a mariposa.

Acima e abaixo são mais difíceis, porque as duas orelhas estão à mesma altura. Aqui, a forma da orelha externa ajuda. A pequena aba diante da abertura da orelha, o trago, acrescenta seu próprio eco dentro dela, e o tempo desse minúsculo eco adicional depende de o som ter vindo de cima ou de baixo. Morcegos também movem a cabeça e as orelhas entre os chamados, e a cada chamado ouvem a cena de um ângulo ligeiramente diferente. O morcego da cena vira um pouco a cabeça entre os chamados, e é assim que seu mapa vai sendo preenchido.

Doppler: a mariposa está se aproximando?

Quando o morcego voa em direção a uma parede, cada crista de onda de seu chamado é emitida de um ponto um pouco mais próximo que a anterior, por isso a parede recebe uma frequência ligeiramente mais alta. A parede então devolve esse som a um morcego que ainda se aproxima, e a frequência aumenta novamente. Para um morcego voando à velocidade v em direção a um alvo parado, o eco retorna a

f × (c + v) ÷ (c − v)

A 4 m/s, um chamado de 82 kHz retorna a cerca de 83,9 kHz, quase 2 kHz acima. Se o alvo também estiver em movimento, sua própria velocidade contribui da mesma maneira. Ative "Desvio Doppler" e o mostrador apresenta a frequência do eco da mariposa e quanto ela difere da frequência do chamado.

Morcegos-ferradura aproveitam isso ao máximo. Seu chamado é um tom longo, quase constante, e sua audição tem uma faixa estreita de sintonia muito precisa perto da frequência do eco, às vezes chamada de fóvea acústica. Ao voar para a frente, o morcego-ferradura reduz a frequência do chamado apenas o suficiente para que o eco alterado pelo efeito Doppler caia nessa faixa. A 4 m/s, ele emite a cerca de 80,1 kHz para que o eco retorne perto de 82 kHz. Sobre esse tom estável, as asas batendo de um inseto fazem o eco oscilar em altura e intensidade, e o morcego consegue distinguir uma mariposa esvoaçante entre folhas paradas. Escolha o morcego-ferradura-grande no controle "Morcego" para ver os números.

O que os ecos dizem sobre as superfícies

A rocha áspera espalha o som em todas as direções. Onde quer que o feixe incida, parte dele volta diretamente, e é por isso que as paredes da caverna se enchem de pontos. Uma superfície lisa, por sua vez, age como um espelho. O chamado reflete no mesmo ângulo com que chegou e se afasta, e apenas a parte da água diretamente abaixo do morcego devolve um eco.

É por isso que a lagoa da cena permanece escura no mapa de ecos. Stefan Greif e Björn Siemers mostraram em 2010 que morcegos tratam qualquer superfície grande e acusticamente lisa como água. Morcegos selvagens de 15 espécies tentaram beber de placas lisas de metal, madeira e plástico, mesmo quando as placas estavam à vista. Morcegos jovens que nunca tinham visto água fizeram o mesmo, o que sugere que a regra é inata. Na cena, a lagoa aparece como um buraco no mapa com um único ponto brilhante sob o morcego.

Mariposas reagem

Mariposas são caçadas por morcegos há dezenas de milhões de anos, e muitas têm respostas. Uma grande parcela das mariposas tem ouvidos que escutam os chamados dos morcegos. Quando um chamado fica forte, elas mergulham, fazem voltas ou se deixam cair no chão. Alguns morcegos, por sua vez, emitem frequências que esses ouvidos escutam mal, ou emitem chamados muito baixos. O morcego-orelhudo-marrom é conhecido na Grã-Bretanha como o morcego sussurrante.

Algumas mariposas-tigre respondem. Em 2009, Aaron Corcoran, Jesse Barber e William Conner filmaram morcegos-marrons-grandes atacando a mariposa-tigre Bertholdia trigona no escuro. Quando o morcego entrava no zumbido terminal, a mariposa produzia rajadas densas de cliques ultrassônicos, e os morcegos erravam. Os cliques parecem confundir o morcego sobre a distância da mariposa. Ative "Mariposa interfere no sonar" e comece uma caça: o eco da mariposa se espalha em pontos vermelhos nas distâncias erradas, e nesse modelo o morcego geralmente passa do alvo.

Mariposas-luna usam outro truque. Suas longas caudas nas asas posteriores giram durante o voo e devolvem seus próprios ecos. Em experimentos de Barber e colegas, morcegos miraram nas caudas em mais da metade dos ataques, e mariposas com caudas sobreviveram cerca de 47 por cento mais vezes que mariposas sem elas. Morcegos também interferem uns nos outros: morcegos-de-cauda-livre-mexicanos perseguindo o mesmo inseto emitem um chamado especial que faz o rival errar.

Outros animais que usam ecolocalização

Morcegos são os mais conhecidos, mas não os únicos. Cetáceos com dentes, incluindo golfinhos e botos, usam ecolocalização debaixo d'água, onde o som viaja cerca de 4,4 vezes mais depressa que no ar. Seus cliques são curtos e muito intensos. Cliques de cachalotes gravados no eixo de emissão por Bertel Møhl e colegas atingiram 236 dB re 1 µPa, os sons mais intensos conhecidos de qualquer animal. Peter Madsen e Annemarie Surlykke mostraram como o sonar de morcegos e cetáceos com dentes convergiu estreitamente, embora os dois grupos o tenham desenvolvido separadamente.

Dois tipos de aves também usam ecolocalização. O guácharo da América do Sul come frutas à noite e faz ninhos no fundo de cavernas, e as salanganas cavernícolas do Indo-Pacífico também nidificam em cavernas escuras. Ambos usam cliques graves o bastante para as pessoas ouvirem, que se propagam bem, mas mostram menos detalhes. Musaranhos gorjeiam mais quando exploram lugares cheios de obstáculos, e gravações sugerem que seus chamados fornecem ecos úteis a curta distância. Até alguns morcegos frugívoros que por muito tempo se pensou não usarem ecolocalização encontram o caminho no escuro com cliques produzidos pelas asas.

Pessoas que usam ecolocalização

Algumas pessoas cegas usam ecolocalização com cliques da boca. Em 2011, Lore Thaler, Stephen Arnott e Melvyn Goodale examinaram o cérebro de dois especialistas cegos enquanto ouviam gravações de seus próprios cliques e ecos. Os ecos ativaram a parte do cérebro que normalmente processa a visão, não áreas auditivas adicionais. Um estudo de treinamento de 2021 na Durham University ensinou adultos cegos e com visão, de 21 a 79 anos, a usar ecolocalização por cliques em 20 sessões ao longo de dez semanas. Ambos os grupos melhoraram muito, e nem a idade nem a cegueira limitaram a velocidade de aprendizado.

Cliques humanos têm alguns quilohertz, portanto seus comprimentos de onda são de cerca de 10 cm. Isso basta para perceber uma parede, uma porta ou um carro estacionado, mas não uma mariposa.

Máquinas que fazem o mesmo

Navios usam sonar, que segue a mesma regra do morcego com a velocidade do som na água, cerca de 1500 m/s. Um eco do fundo do mar a 10 m de profundidade retorna depois de cerca de 13 ms. O ultrassom médico envia som na faixa dos megahertz para dentro do corpo, onde seus comprimentos de onda na escala dos milímetros podem mostrar o contorno dos órgãos e do coração. Os sensores de estacionamento no para-choque de um carro usam ultrassom para medir o tempo dos ecos e encontrar obstáculos de cerca de 15 cm a 5 m.

Uma breve história

Na década de 1790, Lazzaro Spallanzani descobriu que morcegos cegados ainda voavam sem bater nas coisas, e Louis Jurine mostrou que morcegos com as orelhas bloqueadas não conseguiam fazer isso. Ninguém conseguia explicar como, já que os morcegos pareciam silenciosos. A resposta precisou esperar por um microfone capaz de ouvir ultrassom. Em 1938, Donald Griffin, então estudante de Harvard, levou morcegos ao físico George Pierce, que havia construído um detector ultrassônico. Com Robert Galambos, Griffin mostrou então que morcegos emitem pulsos ultrassônicos e usam seus ecos para evitar obstáculos, e em 1944 deu à capacidade o nome de ecolocalização.

O que o modelo simplifica

O morcego da cena fica parado entre as caças, para você poder olhar ao redor dele. Um morcego real em voo de busca nunca para. A caverna é feita de uma forma matemática suave, e os ecos são encontrados traçando algumas centenas de raios pela mesma forma. O som real é uma onda, não um feixe de raios: ele contorna bordas, e os ecos se sobrepõem e interferem. A intensidade do eco vem de uma equação simples do sonar com uma intensidade de reflexão fixa para a rocha, e o limiar auditivo é um único número.

As mariposas são tratadas como pontos. O eco real de uma mariposa muda a cada batida de asas, o que faz parte de como morcegos reconhecem insetos. O modelo de interferência é apenas uma representação do resultado relatado para Bertholdia trigona: o eco da mariposa aparece na distância errada. O som que você ouve é o chamado desacelerado pelo mesmo fator da imagem, de modo que um chamado de 40 kHz, 100 vezes mais lento, sai a 400 Hz. Detectores de morcegos vendidos para trabalho de campo usam o mesmo método, chamado expansão temporal.

Interpretando um eco de um milissegundo

Suponha que o ar esteja parado e sua velocidade do som seja arredondada para 343 m/s. Um atraso de eco de 1 ms significa um percurso sonoro total de 343 × 0,001 = 0,343 m. Metade disso é o percurso de ida, portanto o refletor está a 0,1715 m, cerca de 17 cm. Esquecer o caminho de volta o colocaria duas vezes mais distante. Este exemplo pressupõe que o eco siga um caminho direto de volta a partir do alvo. Uma reflexão que bate em outra parede antes de retornar tem um caminho mais longo e não pode ser interpretada como a mesma distância em linha reta.

A frequência não entra nessa equação de distância. À mesma temperatura do ar, um chamado de 40 kHz e outro de 82 kHz têm essencialmente o mesmo tempo de viagem até o mesmo alvo. Seus comprimentos de onda diferem. Usando a velocidade do som arredondada, 343 ÷ 40.000 = 0,008575 m, ou cerca de 8,6 mm. Esse número descreve o espaçamento de cristas de onda sucessivas, não o comprimento mínimo de inseto que o morcego consegue detectar. Um inseto menor ainda pode devolver um eco; se o morcego o ouve depende de sua orientação e superfícies refletoras, da distância e do ruído de fundo. As asas de um inseto também se movem durante um ataque. Um alvo esférico fixo é um cálculo útil, não uma regra de identificação de insetos.

Na "Calculadora de ecos", defina "Temperatura do ar" como 20 °C, "Frequência do chamado" como 40 kHz e "Distância ao alvo" como 1 m. A velocidade exibida usa a fórmula da temperatura em vez dos 343 m/s arredondados supostos acima, portanto espere cerca de 5,83 ms e 8,6 mm. Dobrar a distância dobra o atraso sem mudar o comprimento de onda. Aumentar a frequência muda o comprimento de onda e a absorção sem dobrar o atraso. São efeitos separados que uma única imagem de um eco brilhante poderia esconder.

Por que o zumbido final não é um chamado de busca mais rápido

A revisão de Ratcliffe e colegas, How the bat got its buzz, discute mais que a quantidade de sons num ataque. Alguns morcegos reduzem a frequência fundamental numa segunda parte do zumbido. Com a mesma abertura da boca, uma frequência menor alarga o feixe emitido. A curta distância, um inseto precisa se mover apenas um pouco para o lado para sair de um feixe estreito, por isso um campo de visão acústico mais largo pode ajudar o morcego a continuar rastreando presas evasivas. Isso é uma contrapartida à vantagem usual de comprimentos de onda menores para alvos pequenos, não uma contradição dela.

Um exemplo de cálculo com 200 chamados por segundo dá 1 ÷ 200 = 0,005 s, ou 5 ms entre os inícios dos chamados. O som pode percorrer a ida e a volta de cerca de 0,86 m nesse intervalo a 343 m/s. Isso é um cálculo ideal de tempo, não um alcance garantido de caça. A duração do chamado ocupa parte do intervalo, ecos do entorno continuam a chegar, e a laringe precisa relaxar e contrair novamente. A revisão relata taxas de até cerca de 220 chamados por segundo em algumas espécies; 200 não é um teto universal.

A cena usa, por sua vez, uma taxa nominal de "Zumbido terminal" de 170 chamados por segundo, com limites adicionais baseados no atraso do alvo. Sua taxa exibida pode, portanto, ser menor quando a mariposa está longe. Ela também desenha um feixe mais estreito nessa fase, enquanto o estudo descreve alargamento do feixe no zumbido de determinadas espécies reais. Use as superfícies para comparar intervalos entre chamados, não para concluir que todo morcego estreita seu feixe de sonar antes da captura. A caverna animada não reproduz todas as mudanças específicas de cada espécie na estrutura do chamado.

Experimente uma comparação controlada na tela

Comece sem caçar. Use "Limpar mapa de ecos", depois "Chamado", e acompanhe as primeiras superfícies que voltam antes que os pontos mais antigos se acumulem. Acenda a lâmpada para comparar a forma real da caverna com o mapa de ecos incompleto. Um ponto ausente não precisa significar rocha ausente: o feixe pode não ter amostrado aquele local, ou o retorno pode ser fraco demais. Isso é diferente de retirar um objeto sólido da cena.

Para uma segunda comparação, mantenha a mesma espécie e use a "Calculadora de ecos" para variar apenas "Distância ao alvo". Leia "Atraso do eco" e "Taxa máxima sem sobreposição" juntos. Uma distância maior dá um atraso mais longo e uma taxa ideal de repetição menor. A calculadora é independente da posição real da mariposa; deslizar sua entrada de distância não move a mariposa. Essa distinção importa ao comparar seus números com o mostrador da cena.

Por fim, selecione "Morcego-ferradura-grande" e volte para "Morcego-marrom-grande". A primeira predefinição representa um chamado longo de frequência constante, enquanto a segunda representa uma varredura FM descendente curta. A sintonia auditiva estreita do morcego-ferradura real o ajuda a detectar mudanças ligadas ao bater de asas em meio à folhagem; um chamado FM de banda larga fornece informações temporais úteis sobre refletores próximos. São ênfases diferentes, não sentidos mutuamente exclusivos. Chamados reais de morcegos-ferradura também incluem trechos modulados em frequência. O rótulo de tom constante do modelo deixa esses detalhes de fora deliberadamente.

Quatorze morcegos coreanos e seus chamados

O catálogo sob a cena começa com 14 espécies gravadas na Coreia entre 2011 e 2012 por Dai Fukui, David Hill, Sun-Sook Kim e Sang-Hoon Han. Eles analisaram 1129 pulsos de 93 sequências de chamados e publicaram a média de cada gravação: a frequência mais alta e a mais baixa, a frequência com mais energia, a duração do chamado e o tempo entre chamados. O catálogo mostra a média dessas médias de gravação para cada espécie e a faixa da frequência mais intensa entre gravações, para você ver quanto uma espécie varia.

Os pulsos se dividem em três formas. O morcego-ferradura-grande produz um tom constante longo com uma varredura curta em cada extremidade. Nove espécies dos gêneros Myotis, Murina e Plecotus produzem varreduras descendentes acentuadas que duram apenas 1 a 6 ms. Quatro espécies (o morcego-hortelão, o pipistrelo-de-Alashan, o morcego-de-asas-dobradas-oriental e o morcego-doméstico-japonês) começam com uma varredura acentuada que se estabiliza numa cauda quase constante. Com cinco medidas, os autores conseguiram atribuir 76,4% dos chamados à espécie correta. Os chamados de tom constante e os de varredura seguida de trecho estável eram fáceis de distinguir; as varreduras acentuadas dos morcegos Myotis se sobrepunham bastante.

Dois detalhes se destacam. O miotis-do-Extremo-Oriente fez a varredura da faixa mais larga, 113 kHz numa gravação, de cerca de 135 kHz até 22 kHz. E o morcego-ferradura-grande, a mesma espécie que emite perto de 82 kHz na Grã-Bretanha, emitiu de 66 a 72 kHz na Coreia, com morcegos de Jeju mais agudos que os do continente. Uma espécie, duas regiões, cerca de 12 kHz de diferença: um lembrete de que um único número para uma espécie é uma média regional, não uma constante. Os nomes coreanos seguem a National Species List of Korea (2019); dois morcegos que o estudo chamou de Myotis formosus e Murina leucogaster estão ali listados como Myotis rufoniger e Murina hilgendorfi.

Três formas de ouvir morcegos

Um detector de morcegos transforma ultrassom em algo que podemos ouvir, e o método decide o que é preservado. As diretrizes italianas de monitoramento (Agnelli e colegas, 2004) descrevem três.

Um detector heteródino mistura o chamado com um tom que você sintoniza manualmente e reproduz a diferença. Apenas a parte do chamado dentro de cerca de 5 kHz da sintonia é ouvida, por isso você percorre o dial para encontrar um morcego, e então o visor indica perto de sua frequência mais intensa. É barato e funciona em tempo real, mas o som deixa de preservar a duração ou a forma do chamado. Na cena, escolha "Heteródino" e sintonize perto do tom estável de um morcego-ferradura: o tom aparece como uma nota grave e estável, enquanto uma varredura acentuada atravessa a janela como um sinal breve.

A divisão de frequência divide cada frequência por uma razão definida, aqui 10, conforme o som chega. Ela ouve todos os morcegos de uma vez e preserva os tempos reais, mas mantém apenas a parte mais forte do sinal numa única intensidade, e os harmônicos se perdem. A expansão temporal grava o chamado a uma alta taxa de amostragem e o reproduz devagar. As diretrizes dão o exemplo de um chamado de 40 kHz com 5 ms de duração: com expansão de 10 vezes, ele vira um som de 4 kHz com 50 ms de duração. Toda a forma é preservada, razão pela qual gravações para identificação são feitas assim, mas durante a reprodução o detector não pode ouvir: 2 segundos de gravação significam 20 segundos de surdez. Pressione "Reproduzir" em cada modo e ouça a mesma caça: chamados de busca, de aproximação e o zumbido.

Por que um morcego-ferradura reduz a frequência do chamado

O ouvido interno de um morcego-ferradura tem uma região fortemente expandida sintonizada numa faixa estreita logo acima do chamado que ele emite em repouso. Hans-Ulrich Schnitzler e Annette Denzinger a chamam de fóvea auditiva, por analogia com o centro nítido da nossa retina. Em voo, o eco de qualquer coisa à frente retorna mais agudo pelo efeito Doppler. Se nada mudasse, o eco sairia da fóvea. Em vez disso, o morcego reduz a frequência do chamado para que o eco volte à frequência de referência.

Para um morcego voando à velocidade v em direção a uma parede parada, o eco retorna a f × (c + v) ÷ (c − v), portanto o chamado deve ser f_ref × (c − v) ÷ (c + v). A 5 m/s e uma referência de 69,9 kHz, o valor coreano, isso dá cerca de 67,89 kHz, aproximadamente 2,9% abaixo. No laboratório "Compensação Doppler", defina uma velocidade e mova a frequência do chamado até que o eco fique dentro de 0,2 kHz da referência; "Deixar o morcego ajustar" mostra a resposta exata. Manter o eco estável deixa o morcego livre para perceber a oscilação rítmica que as asas de um inseto acrescentam a ele.

Alvos pequenos e o comprimento de onda

Um objeto espalha bem o som quando tem pelo menos o tamanho do comprimento de onda dividido por π. Abaixo disso, ele entra na região de espalhamento fraco, em que o eco diminui com a quarta potência do tamanho dividido pelo comprimento de onda. O comprimento de onda no ar é 343 m/s dividido pela frequência: 17 mm a 20 kHz, 7 mm a 50 kHz e 3 mm a 110 kHz.

Essa é uma razão para morcegos insetívoros emitirem chamados agudos. Um mosquitinho de 2 mm só dá um eco pleno acima de c ÷ (π × 2 mm), cerca de 54,6 kHz. Um chamado grave vai mais longe pelo ar, mas passa pelos pequenos alvos. O laboratório de tamanho mostra a troca: diminua o alvo e observe crescer a perda do eco, depois aumente a frequência até o fator de tamanho chegar a 1. A distância de detecção que ele apresenta é um valor do modelo da equação do sonar desta página, com o alvo ajustado por sua área.

Escamas que absorvem som

Muitas mariposas não têm ouvido algum e dependem de uma defesa passiva. Thomas Neil e colegas mediram corpos de mariposas com e sem sua camada espessa de escamas do tórax. As escamas absorveram entre 32% e 85% do ultrassom incidente e reduziram a intensidade do eco do corpo por uma mediana de 5,6 dB. Num segundo estudo, mostraram que a fina camada de escamas nas asas funciona como um metamaterial acústico: um absorvedor que dissipa até 72% da intensidade sonora a 78 kHz, sendo 111 vezes mais fino que o maior comprimento de onda que absorve.

Mariposas com ouvidos acrescentam defesas ativas. Elas mergulham ou fazem voltas ao ouvir um morcego perto, e algumas mariposas-tigre respondem ao ataque com cliques ultrassônicos que interferem na medição de distância do morcego. Os níveis de caça usam essas três etapas. "Fácil" é uma mariposa sem nenhuma delas. "Normal" acrescenta o eco 5,6 dB mais fraco e um mergulho numa direção aleatória quando o morcego está a menos de 1,2 m. "Difícil" é uma mariposa-tigre com as mesmas escamas e mergulho, mais cliques de interferência, e o morcego erra a maioria dos ataques, como ocorreu nos experimentos de Aaron Corcoran e colegas. Sua captura mais rápida e o menor número de chamados ficam salvos no seu dispositivo para cada nível.

Ecolocalizadores feitos por pessoas

A regra é a mesma para todo ecolocalizador: distância é igual à velocidade do som vezes o atraso dividido por dois. O que muda é o meio e a frequência. Um sensor de estacionamento de carro funciona perto de 48 kHz no ar, quase o mesmo que um morcego-doméstico-japonês a 47,5 kHz, e os dois têm comprimentos de onda de cerca de 7 mm. O sensor de estacionamento alcança 2,5 a 3 m, suficiente para um para-choque.

Debaixo d'água, o som corre a cerca de 1500 m/s, por isso um eco de 1 m retorna em 1,33 ms em vez de 5,83 ms no ar. Botos-comuns emitem cliques perto de 130 kHz, o que dá um comprimento de onda de cerca de 11,5 mm na água do mar. O ultrassom médico usa 1 a 20 MHz, e os aparelhos pressupõem 1540 m/s nos tecidos moles; a 5 MHz, o comprimento de onda é de cerca de 0,31 mm, razão pela qual ele pode mostrar estruturas finas dentro do corpo, mas não enxergar muito fundo. A tabela de comparação sob o laboratório lista esses quatro lado a lado.

Uma asa feita de uma mão

Pressione "Ossos da asa" na cena para ver o esqueleto sob a pele. Uma asa de morcego é uma mão: um braço, um antebraço longo, um polegar curto com uma garra e quatro dedos muito longos. A pele se estende entre os dedos, do quinto dedo até a perna, à frente do braço e entre as pernas e a cauda, onde um esporão de cartilagem no tornozelo mantém a borda estendida. No modelo, a mão se dobra no movimento para cima e se abre bastante no movimento para baixo. Os comprimentos dos ossos do modelo são valores ajustados para um morcego-marrom-grande com envergadura de cerca de 32 cm.