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当一只使用回声定位的蝙蝠用声纳束锁定昆虫后，即使接收到来自其他物体的众多回声——树叶、藤蔓等等，它也能持续追踪猎物。它是如何将从目标反射回来的回声与从周围杂波反射回来的回声区分开来的，尤其是在这些回声同时到达蝙蝠时？
根据一项关于棕蝠回声定位的新研究（Eptesicus fuscus），关键在于蝙蝠声纳束中的物体会产生不同特性的回声，这取决于它们在声束中的位置。蝙蝠可以专注于来自声束中心的回声，那里是它们的目标所在，而忽略来自外围杂波的回声。这项研究发表在7月29日出版的《科学》杂志上。
这种区分之所以成为可能，是因为蝙蝠的声纳脉冲具有两个不同的组成部分，或者说是谐波，位于不同的频率水平。较高频率的谐波形成比广泛的低谐波更窄的波束，因此中心目标接收并反射大致相等的两种谐波。另一方面，非目标物体落在高谐波的较窄波束之外，因此反射的低频声音比例更高。谐波结构还有助于将昆虫目标与背景反射隔离——较高频率的声音在空气中衰减得更快，因此当从远处物体反射回来时，高谐波返回到蝙蝠的强度会更弱。
两种谐波的反射混合物使蝙蝠能够专注于其目标——完整返回两种谐波的回声。“这不是它们主动做的事情，它实际上更多地与它们的听觉系统如何感知不同种类的回声有关，”主要研究作者玛丽·贝茨说，她最近获得了布朗大学的博士学位，现在正在追求成为一名科学作家的职业。（贝茨过去曾为《大众科学》撰稿。）“来自远处或侧面的回声不会被很好地感知，也不会像正在追踪的目标那样造成太多干扰，”她说。
贝茨和她的合著者，布朗大学的詹姆斯·西蒙斯以及第比利斯格鲁吉亚技术大学控制论研究所的滕吉兹·佐里科夫，使用了一个实验装置，将一只活蝙蝠放在一个Y形平台的脚下。蝙蝠经过训练，可以对来自平台一个臂的目标回声做出反应，并避开来自另一个臂的“杂波”回声。靠近蝙蝠的麦克风和位于Y形平台末端的扬声器可以用来操纵回声，可以通过滤除一种或另一种谐波，或者通过人为地延迟一种谐波相对于另一种谐波的回声。
通过这样做，研究人员可以分离出谐波结构在蝙蝠将目标与杂波分离中的重要性。“它实际上是在观察它发出的声音的形状以及它接收到的回声的形状，”贝茨说。
研究人员还测试了谐波如何影响蝙蝠信号处理机制中的一个方面，即幅度-延迟权衡。棕蝠中处理回声定位信号的听觉神经元对减弱的回声反应更慢。“当回声以较低的幅度返回时，神经元放电的延迟会增加，”贝茨说。在双谐波啁啾的情况下，当单个回声包含具有不同幅度的两个谐波时，幅度-延迟权衡就会发挥作用——例如，当杂波物体返回具有减弱的高谐波的回声时。实验表明，对于此类声音的幅度-延迟权衡会阻碍蝙蝠的深度感知，有效地使蝙蝠的反射物体声纳图像失焦。换句话说，谐波使蝙蝠能够产生目标物体的聚焦声纳图像和周围杂波的失焦图像。
这种效果与人类的中央视觉和周边视觉之间的差异有些相似。“这项研究表明，蝙蝠感知到的声纳图像在中心轴线上最清晰，而外围的物体可能会模糊，”马里兰大学帕克分校研究蝙蝠回声定位的神经科学家辛西娅·莫斯说。她指出最近发表在《自然神经科学》上的一篇论文，该论文报告了猫头鹰声音定位的类似效果，这有助于鸟类追踪猎物。（《大众科学》是自然出版集团的一部分。）根据该研究，猫头鹰可以准确地追踪沿视线的声音来源，但代价是牺牲对外围声音的感知。“这可能是一种跨物种和跨模态的常见感知策略，”莫斯说。