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在陸地上我們可以通過聽聲辨位來判別物體的位置，但為什麼同樣的方法在水下貌似就行不通了呢？？
原來，這和我們的聽覺系統以及不同介質的性質有關，今天我們就一起聊聊這個。
水下為什麼不能定位，或者在水下玩「馬可波羅」（ Marco Polo，類似於水下閉眼捉迷藏）為什麼這麼難？
源於作者，是在 Cristian Palmer發布於Unsplash上的作品改編的
在水下玩「馬可波羅」的遊戲體驗真是太糟了！在水下，就算你一遍又一遍地大喊「波羅（Polo）」，對我來說，也很難根據聲音分辨你的位置，人的定向聽力在水下失效了。
真實情況比這個更加怪異。當我們兩個都在水下時，我不僅不知道你的聲音從哪裡傳出來的，我甚至都覺得每一個聲音都是從我的腦子裡面出來的。
為什麼會這樣呢？水下聲音定位什麼失效了？我們腦子裡的聲音從哪裡來的？
地面上是怎麼聽見聲音的？
為了展示正常聽力的過程，讓我試著站在山頂上，像豪豬下崽一樣嚎叫：
源於作者 （CC BY-SA 4.0）
能聽見我的聲音麼？
聽見聲音的過程源於：人體肺中的空氣被壓力推到聲帶之間狹窄的開口，導致聲帶振動並不斷帶動空氣粒子振動，這也導致人們常常錯誤以為發聲的地點是喉嚨。
這些可憐的粒子在高頻振動的聲帶間被帶著振動，因為空氣是一個充滿粒子的擁擠空間，粒子會帶動其他粒子振動。這就像多米諾骨牌式的連鎖反應，越來越多的粒子相互碰撞並開始振動。很快地，喉嚨、鼻子、嘴巴和其他地方的空間中的粒子被帶動著振動起來，這些粒子都隨著聲帶振動的節奏而嗡嗡作響。
現在，以上的所有粒子都不能移動得太遠。如果你在山谷裡聽見山頂上聲音，絕不是因為粒子從山頂傳到了你的耳朵裡。相反，傳到你耳朵裡的是粒子的碰撞。簡化版的示意如圖所示 ：
縱波，源於作者 （CC BY-SA 4.0）
一系列向前移動的碰撞過程就是我們常說的縱波、壓縮波、壓力波或者（當你能聽見時）聲波。唯一要注意的一點是：真實粒子碰撞的傳遞形式不是沿著一條線或者一個圓，而是不斷擴大的球體。尖叫的我，也就是在球體中心的聲源。
如果我的聲音足夠大，而你的位置也不是很遠的話，那些聲波最終會傳到你的耳朵中 。
聽力的原理，源於作者 （CC BY-SA 4.0）
耳朵的形狀有助於聲波導入到耳道中，從而使你耳道中空氣的振動節奏跟聲帶的振動一致。然後這些振動被傳遞到耳道末端的一層薄膜上，稱為鼓膜，它反過來把這些振動傳遞到你的聽小骨上，聽小骨是位於耳膜另一側的三塊小骨頭。
這三塊小骨頭就像一條踢在耳蝸上的小腿，耳蝸可以看做一根裝滿水的管子，看起來像蝸牛殼。無論如何，「踢」的目的是引起耳蝸液體的漣漪，最終導致你聽到聲音。
讓我們打開耳蝸，觀察裡面的結構 ：
內部展開、縮短的耳蝸。源於作者 （CC BY-SA 4.0）
耳蝸內部，有一層毛茸茸的膜，叫做基底膜，連接著耳蝸的基底，也就是「小腿踢」的地方。因此，基底膜漂浮在這個充滿液體的器官中間，將整個器官分為上腔和下腔，頂部有一個通道連接兩個腔。
現在，當小腿踢在耳蝸上時，耳蝸液體中會產生波紋。這些波紋沿著上腔中膜的方向傳播，然後繞尖端做一個U形轉彎，沿著下腔向基底傳播。波紋傳播時，薄膜會像風中飄揚的一面旗幟。
但是，整個薄膜的振動程度不一樣，因為基底部分的膜更窄，更厚，更硬，然後隨著遠離基底，靠近尖端，變得更寬、更薄、更軟。膜上的不同情況是因為不同區域對不同的波紋的反應的差異導致的。
如果波紋連續出現，基底膜大部分都在底端振動；而如果波紋之間的間隔比較長，振動就會向膜的頂端移動。
波紋之間的間隙取決於聽小骨振動的頻率，並最終取決於聲帶發聲的頻率，因此，可以通過調整聲帶振動的頻率，來使基底膜的不同部分擺動。
應該怎樣調整聲帶振動的頻率呢？簡單，通過調整尖叫的聲調：聲調越高，振動頻率越快，反之，則越慢。
最後，要把耳蝸內這些振動轉變為大腦可以處理的東西，基底膜上覆蓋有小的感覺神經元，叫做「毛細胞」，它們隨著基底膜的移動向前或者向後彎曲，根據彎曲的程度，向大腦發送不同強度的電信號，因此，根據發出的不同聲音，不同的毛細胞被激發，你的大腦最終接收到一種或另一種電子模式，然後解碼成你所感知的不同聲音 。
為什麼在水下不能聽聲辨位？
在水下為什麼就不能辨別聲音的位置？為了弄明白這個問題，第一步需要理解正常的聽聲辨位是什麼原理。正常下，有兩套主要的機制可以來辨位：
1. 雙耳時差
（Interaural time difference）
2. 雙耳音強差
（Interaural level difference）
我們以此對此進行討論 。
雙耳時差
我們有兩個耳朵是有原因的。這讓我們看起來很好看，更重要的是，它能讓我們聽聲辨位。當聲波向你傳播時，不會瞬間掃過你，而是有一個時間差 。
源於作者 （CC BY-SA 4.0）
這代表當一個聲音從你的左邊傳來時，會先傳過你的左耳，再擊中你的右耳；同樣，從右邊傳來時，會先傳過你的右耳，再擊中你的左耳。
因此，根據你的聲音的位置，敲擊一隻耳朵和另一隻耳朵之間的時間間隔會變短或變長。然後你的大腦利用這些時差來定位聲音。
然而，在水下，聲波的傳播速度幾乎是空氣的4.3倍！
源於作者 （CC BY-SA 4.0）
因為水的壓縮性比空氣小得多。
想想一排多米諾骨牌。如果它們擠得很緊，而你拍打了這一排的一端，那另一端幾乎立即就能覺察到；而如果牌之間相距了一定距離，那麼一端到另一端的狀態需要一些時間才能傳播 。
敲擊不同間距的多米諾骨牌 源於作者 （CC BY-SA 4.0）
同樣，聲波在緊排的水粒子中的傳播比在空氣粒子中傳播得要快。
事實上，聲音在水下傳播速度快到了大腦無法分辨雙耳之間的時間差。除非你的大腦比空氣中的大腦大四倍，才能注意到這個時間差。
註：前後傳來的聲音位置的辨別是通過聲波和大腦對聲波的扭曲來辨別的 。
雙耳音強差
大腦決定聲音位置的另一種方法是辨別兩耳的音強大小。也就是如果同一個聲音，左邊的聲音更大些，右邊的更小些，那聲音就是從左邊傳來的。
源於作者 （CC BY-SA 4.0）
如果你認為雙耳的強度差並不是那麼大，這是對的，但是對於大腦來說，足以分辨這個差別並確定聲音的位置。而在水下，聲音衰減得並不是很快 。
源於作者 （CC BY-SA 4.0）
在布滿鵝卵石的沙灘，如果把你的頭放進水下，你會發現能夠清晰聽到鵝卵石相互碰撞的聲音 。
在水下，為什麼聲音似乎來自你的大腦？
源於作者 （CC BY-SA 4.0）
你是否有注意到，即使一條金魚很生氣，你也從沒有聽到過它在魚缸裡面大喊大叫。當然是因為魚是不會叫的。但就算它們可以，你也聽不到，除非你自己也浸沒在魚缸裡面——這會讓它們更加大喊大叫。
不管怎樣，關鍵之處是你在水上，因此幾乎不可能聽到水下的聲音。這是因為水和空間有個交界面，這個交界面就像一個近乎完美的聲學反射鏡，這意味著邊界將幾乎所有的聲能反射回水中。所以，金魚發出的所有聲音都會反射回水下。類似的事情發生在你的耳朵中。當你把頭放在水下，一些空氣殘留在耳膜兩側，因此會有個空氣-水的交界面 。
源於作者 （CC BY-SA 4.0）
當水下聲波到達邊界時，它們會立即反彈，因此你的耳膜也不會感知到聲音。但是，你是怎麼在水下聽到聲音的？
答案是：雖然聲音不能通過耳道的耳膜傳遞，但是可以通過骨頭來傳遞，叫做骨傳導。這也是你能在水下聽到聲音的原因。
源於作者 （CC BY-SA 4.0）
與水和空氣的密度差不同，水和骨頭的密度差不足以反射所有的聲音。因此，一大部分聲波穿過你的頭骨，最終擊中你的耳蝸，產生一種你能感覺到的聲音——儘管這聲音被壓低，像是從大腦裡發出來的。
讓我們總結一下
為什麼我們不能水下聽聲辨位？這是因為我們的聽覺處理系統沒有進化到處理聲波在水中傳播的能力。更根本的原因是由於水和空氣的密度不一樣。
我們的聽力處理系統可以從與空氣密度相似的介質的拾取聲音。如果介質的密度更大，聲波速度太快，聲音傳播到雙耳的時間差太短、音強差太小，我們的大腦無法處理。由於這兩個原因，當我們在水下時，定向聽力就會受阻。而又由於水與空氣的交界面，骨傳導會產生聲音來自大腦的錯覺。
儘管有這些問題，但人依然可以通過訓練來利用雙耳之間的空間來學會水下的聽聲定位。比如說馬來西亞的「聽魚者」，就是把自己淹沒於水下，通過魚發出的聲音來尋找魚 。
參考資料：
[1] Tulane University: Introduction to Auditory transduction
[2] Wikipedia: Sound localization
[3] The Swim Guide: Why sound sounds funny underwater
[4] Tonmeister: Chapter 3 — Acoustics
[5] Human Auditory Localisation in a Distorted Environment: Water
作者：David B. Clear
翻譯：Nuor
審校：zhenni
原文連結：
https://medium.com/i-wanna-know/why-youre-unable-to-locate-sounds-underwater-1aa0425e4a5f
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編輯：Dannis