Биоакустика - Bioacoustics

В Сонограммах из Thrush соловья ( Luscinia Luscinia ) и Common соловья ( Luscinia megarhynchos ) пение помогает различать эти два вида голоса определенно.

Биоакустика - это междисциплинарная наука , сочетающая биологию и акустику . Обычно это относится к исследованию производства, распространения и восприятия звука у животных (включая человека ). Это включает нейрофизиологические и анатомические основы производства и обнаружения звука, а также связь акустических сигналов со средой, через которую они распространяются. Полученные данные дают ключ к разгадке эволюции акустических механизмов и, следовательно, эволюции животных, которые их используют.

В подводной акустике и акустике рыболовства этот термин также используется для обозначения воздействия растений и животных на звук, распространяющийся под водой, обычно в отношении использования гидроакустической технологии для оценки биомассы . Изучение вибраций, переносимых субстратом, используемых животными, рассматривается в отдельной области, называемой биотремологией .

История

В течение долгого времени люди использовали звуки животных, чтобы распознавать и находить их. Биоакустика как научная дисциплина была основана словенским биологом Иваном Регеном, который начал систематически изучать звуки насекомых . В 1925 году он использовал специальный стридуляторный аппарат, чтобы играть в дуэте с насекомым. Позже он поместил сверчка- самца за микрофон, а сверчков-самок перед громкоговорителем. Самки двигались не к самцу, а к громкоговорителю. Самым важным вкладом Регена в эту область, помимо осознания того, что насекомые также обнаруживают звуки, передаваемые по воздуху, было открытие функции барабанного органа .

Доступные в то время относительно грубые электромеханические устройства (например, фонографы ) позволяли только грубую оценку свойств сигнала. Более точные измерения стали возможны во второй половине 20-го века благодаря достижениям в области электроники и использованию таких устройств, как осциллографы и цифровые записывающие устройства.

Самые последние достижения в биоакустике касаются взаимоотношений между животными и их акустической средой, а также воздействия антропогенного шума . Недавно были предложены биоакустические методы в качестве неразрушающего метода оценки биоразнообразия территории.

Методы

Гидрофон

Прослушивание до сих пор остается одним из основных методов, используемых в биоакустических исследованиях. Мало что известно о нейрофизиологических процессах, которые играют роль в производстве, обнаружении и интерпретации звуков у животных, поэтому поведение животных и сами сигналы используются для понимания этих процессов.

Акустические сигналы

Спектрограммы (вверху) и осциллограммы (ниже) от горбатого кита «S звонки

Опытный наблюдатель может использовать звуки животных, чтобы распознать «поющий» вид животных , его местонахождение и условия в природе. Исследование звуков животных также включает запись сигналов с помощью электронного записывающего оборудования. Из-за широкого диапазона свойств сигнала и среды, через которую они распространяются, вместо обычного микрофона может потребоваться специализированное оборудование , такое как гидрофон (для подводных звуков), детекторы ультразвука (очень высокочастотные звуки) или инфразвука (очень низкие звуки). -частотные звуки) или лазерный виброметр (колебательные сигналы от подложки). Компьютеры используются для хранения и анализа записанных звуков. Специальное программное обеспечение для редактирования звука используется для описания и сортировки сигналов по их интенсивности , частоте , длительности и другим параметрам.

Коллекции звуков животных, которыми управляют музеи естествознания и другие учреждения, являются важным инструментом для систематического исследования сигналов. Для обнаружения и классификации биоакустических сигналов было разработано множество эффективных автоматизированных методов, включающих обработку сигналов, интеллектуальный анализ данных и машинное обучение.

Производство звука, обнаружение и использование у животных

Ученые в области биоакустики интересуются анатомией и нейрофизиологией органов, участвующих в производстве и обнаружении звука, включая их форму, действие мышц и активность вовлеченных нейронных сетей . Особый интерес представляет кодирование сигналов с потенциалами действия в последнем.

Но поскольку методы, используемые для нейрофизиологических исследований, все еще довольно сложны, а понимание соответствующих процессов неполно, используются также более тривиальные методы. Особенно полезно наблюдение за поведенческими реакциями на акустические сигналы. Одна из таких реакций - фонотаксис - направленное движение к источнику сигнала. Наблюдая за реакцией на четко определенные сигналы в контролируемой среде, мы можем получить представление о функции сигнала, чувствительности слухового аппарата, способности фильтрации шума и т. Д.

Оценка биомассы

Оценка биомассы - это метод обнаружения и количественной оценки рыб и других морских организмов с использованием сонарной технологии. Когда звуковой импульс проходит через воду, он сталкивается с объектами, плотность которых отличается от плотности окружающей среды, например рыб, которые отражают звук обратно к источнику звука. Эти эхо-сигналы предоставляют информацию о размере, местонахождении и численности рыбы . Основными компонентами аппаратной функции научного эхолота являются передача звука, прием, фильтрация и усиление, запись и анализ эхо-сигналов. Хотя существует множество производителей коммерчески доступных «эхолотов», количественный анализ требует, чтобы измерения проводились с помощью калиброванного эхолота с высоким отношением сигнал / шум .

Звуки животных

Бергише Кроуэр кукарекает

Звуки, используемые животными, которые подпадают под сферу применения биоакустики, включают широкий диапазон частот и сред и часто не являются « звуками » в узком смысле этого слова (т. Е. Волны сжатия, которые распространяются по воздуху и могут быть обнаружены человеческим ухом ) . Например, сверчки-кэтидиды общаются звуками с частотой выше 100 кГц , что далеко в ультразвуковом диапазоне. Низкие, но все же в УЗИ звуки, используемые летучими мышами для эхолокации . Сегментированный морской червь Leocratides kimuraorum издает один из самых громких хлопающих звуков в океане на уровне 157 дБ и частотах 1–100 кГц, как у щелкающих креветок . На другой стороне частотного спектра находятся низкочастотные колебания, часто не обнаруживаемые органами слуха , а другими, менее специализированными органами чувств. Примеры включают колебания грунта, производимые слонами , основная частотная составляющая которых составляет около 15 Гц, и низко- и среднечастотные колебания подложки, используемые большинством отрядов насекомых . Однако многие звуки животных попадают в диапазон частот, воспринимаемый человеческим ухом, от 20 до 20 000 Гц. Механизмы производства и обнаружения звука столь же разнообразны, как и сами сигналы.

Звуки растений

В серии статей в научных журналах, опубликованных между 2013 и 2016 годами, д-р Моника Гальяно из Университета Западной Австралии расширила науку, включив в нее биоакустику растений .

Смотрите также

использованная литература

дальнейшее чтение

внешние ссылки