蝙蝠在黑暗中如何避開障礙物？
― 用聲音反彈來「看」的原理
在漆黑的洞穴或夜空中，蝙蝠不會撞上樹枝或電線，還能高速飛來飛去。不僅如此，牠們在黑暗中還能準確抓住飛行的小蟲。在眼睛幾乎派不上用場的環境裡，蝙蝠究竟靠什麼來飛行呢？
黃昏時分，你有沒有在公園或河岸上空，看過小小的黑影忽左忽右地飛來飛去？那些大多是蝙蝠。在人類幾乎什麼都看不見的昏暗環境中，蝙蝠依然能自由飛行，不會撞上電線、樹枝或其他蝙蝠。
其實蝙蝠一邊飛，一邊持續從口或鼻發出人耳聽不見的高頻聲音。牠們聽取這些聲音碰到周圍物體後反彈回來的「反射音」，藉此用聲音「看見」周圍的情形。
這種利用聲音反射來掌握周圍環境的方式，稱為回聲定位（echolocation）。
蝙蝠的叫聲大多是頻率高到人耳聽不見的聲音（超音波）。
牠們以發出的聲音撞到物體、反彈後傳回耳朵所需的時間為線索，計算與物體之間的距離。
接下來，我們依序來看這個「用聲音的時間差得知距離」的原理。
聲音只會以固定的速度前進
聲音在空氣中大約以每秒 340 公尺的固定速度前進。這個速度比光速慢得多，在我們日常的距離感中，也能感覺到前進所需的時間差。放煙火時，光亮起後要隔一會兒才聽到聲音，就是因為聲音速度比較慢。
一般認為，蝙蝠是利用「聲音速度固定」這個性質來測量距離。近處物體反彈的聲音，很快就會傳到耳朵；遠處物體的聲音，則會稍晚才到。這段「延遲」的長短，就是得知距離的線索。
牠只是聽出聲音返回所需的那一點點時間有多長。
為什麼要用人耳聽不見的高頻聲音
蝙蝠發出的聲音大多是頻率高到超出人耳可聽範圍的超音波。高頻聲音的波長短，即使是小蟲或細樹枝這類小物體，也容易清楚地反射。如果使用低頻聲音（波長較長的聲音），就不容易被小物體反射，容易直接穿過去。
要準確找到並抓住飛行的小蟲，能被細小物體反射的高頻聲音較為有利。
從聲音的變化辨別移動的獵物
蝙蝠不只測量距離，也能從聲音判斷獵物是否在移動。線索是和救護車鳴笛聲靠近時聽起來較高、遠離時聽起來較低相同的現象。這種現象稱為都卜勒效應（Doppler effect）。
當蝙蝠一邊接近蟲子一邊發出超音波時，反彈回來的反射音頻率會比原本的聲音略高。一般認為，蝙蝠從這個變化的大小，讀出自己與獵物互相接近的速度。
利用聲音反射得知距離和位置的原理，已應用在船隻探測海底和魚群位置的魚群探測器、潛水艇的聲納、汽車的障礙物感應器等各種技術上。也有人受到蝙蝠能力的啟發，研究讓視障者用聲音掌握周圍物體位置的裝置。
可以自己動手確認的事
- 找一個聲音容易反射的寬敞場所，例如體育館、隧道或大面牆壁前
- 站在離牆壁數公尺的地方，用力拍一下手，發出「啪」的一聲
- 拍手聲之後，仔細聽有沒有從牆壁反彈回來、稍微弱一點的「回音」
- 反覆遠離、靠近牆壁，確認聽到回音所需時間的感覺有什麼變化
人耳有時也能感覺到聲音反彈回來的細微時間差。而蝙蝠能把這個時間差聽得更細、更準確。
總結
一般認為，蝙蝠會發出人耳聽不見的超音波，並從反射音（回音）返回所需的時間，得知與周圍物體的距離。由於聲音在空氣中大致以固定速度前進，時間的長短就直接成為距離的線索。此外，從反射音頻率的變化（都卜勒效應），也能讀出獵物移動的速度。
即使在無法依靠眼睛的黑暗中，蝙蝠也看得見一張「由時間差構成的地圖」。
還有一種生物不靠聲音，而是用皮膚感應獵物發出的微弱電流來感知看不見的事物，歡迎一併閱讀鯊魚的文章。
想知道更多的人 ― 用語、數值與課本的關聯從國中理化到研究中的話題，明確標示屬於哪個程度
- 國中國中理化會學到的範圍
- 高中高中「物理基礎」會學到的範圍
- 高中＋高中「物理」，或課本中屬於進階、專欄的內容
- 大學高中不會學到，屬於大學專業科目（神經科學、生物學）的內容
- 研究連大學也不會當作「定論」來教，是目前研究者正在探討的話題
國中用語：與回聲定位相關的詞彙
- 超音波：超出人耳可聽範圍（約 20Hz～20,000Hz）的高頻聲音。
- 回聲定位（echolocation）：聽取自己發出的聲音的反射（回音），得知周圍物體位置的方法。
- 都卜勒效應：發聲的物體與聽聲音的人互相靠近或遠離時，聽到的聲音高低會改變的現象。
高中用算式確認：從聲音的時間差求出距離
我們用聲音的速度，以及聲音返回所需的時間，來計算蝙蝠與物體之間的距離。
到物體的距離 ＝ 聲音的速度 × 往返所需的時間 ÷ 2
| 聲音的速度 | 在空氣中約為每秒 340 公尺 |
| 往返所需的時間 | 從發出聲音到反射音傳回來的時間 |
| ÷2 | 聲音在「去程」和「回程」各走了一次到物體的距離 |
| 往返的距離（m） | 1.7 × 2 ＝ 3.4 |
| 所需時間（秒）＝ 往返距離 ÷ 聲音速度 | 3.4 ÷ 340 ＝ 0.01 |
| 把秒換成毫秒 | 0.01 × 1000 ＝ 10 |
| 結果 | 約 10 毫秒（1000 分之 10 秒） |
為了分辨僅僅 1.7m 外的樹枝，蝙蝠必須聽出 10 毫秒（100 分之 1 秒）這麼短的時間差。實際飛行時，周圍不同距離的物體會接連傳回回音，所以蝙蝠的耳朵和大腦，被認為能以極快的速度處理這些時間差。
※ 聲音的速度會隨氣溫改變，340m/秒只是大約的參考值。
高中＋來自靠近獵物的反射音，頻率會變高
利用都卜勒效應的公式，可以算出蝙蝠接近獵物的速度，與反射音頻率升高多少之間的關係。假設蝙蝠以每秒 5m 的速度接近獵物，同時發出 50,000Hz 的超音波。
| 傳到獵物的聲音頻率（Hz） | 50000 × 340 ÷ 335 ≒ 50746 |
| 回到蝙蝠的反射音頻率（Hz） | 50746 × 345 ÷ 340 ≒ 51492 |
| 與原本聲音的差（Hz） | 51492 − 50000 ＝ 1492 |
由於往返兩次都卜勒效應疊加，算出反射音回來時比原本的聲音高出約 1,500Hz。一般認為，蝙蝠從這個頻率變化的大小，讀出自己與獵物互相靠近的速度。
大學大腦如何處理無數的回音
在神經科學領域，已有報告指出蝙蝠的聽覺神經系統具有專門偵測從發出聲音到反射音返回之間細微時間差的神經細胞。一般認為，藉由這些神經細胞的作用，牠們能瞬間分離並處理幾乎同時從多個物體傳回、彼此重疊的回音。
研究目前還不清楚的事
- 在樹葉密集的森林這類反射音互相混亂的複雜環境中，蝙蝠如何只聽出需要的回音，是神經科學領域至今仍在研究的主題。
- 有報告指出，許多蝙蝠同時在同一處飛行時，似乎會調整叫聲的頻率和時機，避免彼此的超音波互相干擾，這種「避免干擾的機制」細節也仍在研究中。
- 從蝙蝠回聲定位的原理獲得靈感，應用於視障者的聲音輔助裝置，以及機器人障礙物偵測技術的研究也持續進行。
蝙蝠在黑暗中飛行的能力，背後是聲音物理學與神經科學交會、至今仍在研究的豐富主題。
與課本的關聯（依程度區分）
| 程度 | 科目・單元 | 本文的哪個部分 |
|---|---|---|
| 國中 | 理化・聲音的性質 | 超音波、回聲定位的基本用語 |
| 高中 | 物理基礎・聲波 | 由聲音速度和時間求距離的計算 |
| 高中＋ | 物理・都卜勒效應（進階） | 靠近獵物的反射音頻率變化的計算 |
| 大學 | 神經科學 | 偵測時間差的聽覺神經系統的作用 |
| 研究 | 神經科學・行為生態學（研究中） | 複雜環境中的分辨、多個個體之間避免干擾 |
- 生物學相關教科書、資料中，關於蝙蝠回聲定位的解說。
- 物理學相關教科書中，關於音速、都卜勒效應的解說。
- 神經科學領域中，關於蝙蝠聽覺神經系統偵測時間差的研究回顧。
- 行為生態學領域中，關於蝙蝠個體間避免超音波干擾的研究回顧。
- 聲學工程領域中，關於應用回聲定位的障礙物偵測技術的解說。
※ 音速、頻率等數值是常用的參考值。實際數值可能因氣溫、個體與情況而不同。
※本文是為一般讀者撰寫的科學解說。觀察野生蝙蝠的生態時，請注意不要隨意靠近，也不要驚擾牠們的棲息處（巢穴）。