光纤电缆可以接收蝉的嗡嗡声

每隔 13 或 17 年，数十亿只蝉的嗡嗡交配鸣叫声就会成为美国部分地区夏季的配乐。它们的咔嗒声非常响亮，以至于它们可能会被用于传输高速互联网的同一根光纤电缆探测到。11 月 30 日发表在美国昆虫学会《昆虫科学杂志》上的一项概念验证研究描述了这项技术如何帮助追踪这些声音响亮且转瞬即逝的昆虫

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当光纤电缆挂在电线杆上时，它可以用作传感器来检测温度变化、振动和非常大的噪音。这项新兴技术被称为分布式光纤传感，并在研究中进行了测试。

“尽管地点位于新泽西州米德尔塞克斯县一个繁忙的地区附近，但得知有关这些电话的大量信息却让我既惊讶又兴奋，”这项研究的合著者、昆虫学家杰西卡·韦尔在一份声明中说。韦尔是纽约美国自然历史博物馆副馆长兼无脊椎动物学部门主席。

测量“反向散射”

据该团队介绍，分布式光纤传感是基于在光脉冲通过光纤电缆发送时查找和分析反向散射。当电缆中的小瑕疵或干扰导致少量信号反射回源头时，就会发生反向散射。技术人员可以计算反向散射光到达的时间，从而准确计算出光在电缆上反射回来的确切位置。监测反向散射随时间的变化可以产生干扰的特征。在声学传感中，该特征可以指示电缆中声音的频率和音量。

一个传感器也可以部署在一大段电缆上。根据这项研究，一条 31 英里长的电缆上安装一个传感器可以探测到干扰的位置，精确到 3.2 英尺。作者报告说，这相当于在测试区域安装 50,000 个声学传感器，不仅同步，而且不需要现场电源。

然而，根据合著者兼 NEC Labs America 光子学研究员 Sarper Ozharar 的说法，光纤电缆中的声学传感“仅限于附近的声源或非常响亮的事件，例如紧急车辆、汽车警报或蝉的出现。”

第十代幼虫的归来

2021 年，至少有 15 个州的 Brood X 蝉种群从地面冒出。Brood X 是几个以 17 年为周期出现的蝉种群中最大的一个。Ozharar、Ware 和 NEC Laboratories America, Inc. 的同事借此机会利用实验室的光纤传感测试设备，看看他们能否拾取 Brood X 蝉在树上嗡嗡作响的声音。2021 年 6 月 9 日至 6 月 24 日，电缆被拉在新泽西州普林斯顿的三根 35 英尺高的电线杆上。

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电缆拾取了昆虫的声音。通过光纤传感，嗡嗡声呈现出 1.33 千赫兹 (kHz) 的强信号。这与在同一位置用传统音频传感器测量的蝉鸣声频率相匹配。

研究小组还发现，蝉的峰值频率在 1.2 kHz 和 1.5 kHz 之间变化。这种模式似乎随着气温的变化而变化。光纤传感还显示了测试期间蝉的噪音总体强度。随着蝉的声音达到峰值，信号随着时间的推移而减弱，然后随着它们接近繁殖期的尾声而逐渐减弱。

Ozharar 说：“我们认为这项为其他应用而设计和优化的、看似与昆虫学无关的新技术可以支持昆虫学研究，这真的令人兴奋且有趣。”

光纤传感器具有多种功能，因此可以安装并用于多种用途，例如今天检测蝉，明天检测其他干扰。据韦尔称，它们还可用于检测各种不同的昆虫。

“这些系统可以捕捉到周期蝉这种吵闹的群体，但有趣的是，每年测量昆虫的声音和振动是否有助于监测某个地区跨季节和跨年份的昆虫数量，”韦尔说。

第 X 代蝉又回到了地下，直到 2038 年才会出现。它们出现的间隔很长，这确实让昆虫学家有机会在此期间实现技术飞跃。当第 X 代蝉最后一次出现于 2004 年时，使用移动智能手机或应用程序是不可行的，但这两种技术都大量记录了 2021 年的出现。光纤电缆可能会在蝉群研究中带来类似的技术飞跃。