Биоакустика птиц
Выполнил
Бабич Артур
Руководитель
Маргаритов В.С.
Москва
2011
Введение
У каждого животного есть своя система звуков. В большинстве случаев звуки, производимые животными, могут что-то значить (состояние, намерения и т.д.). Изучением звуков животных занимается биоакустика.
Биоакустика - это наука, объединяющая биологию и акустику. Биоакустика занимается изучением звуковой сигнализации у животных, способов связи между животными, механизмов образования и восприятия у них звуков, а также принципов кодирования и декодирования передаваемой информации в живых биоакустических системах. Биоакустика - один из важнейших источников информации о намерениях, состоянии животных.
Наиболее развитой системой звуков обладают птицы. Это самые профессиональные «музыканты» среди всех животных. Птицы обладают достаточно большим разнообразием звуков, каждый из которых имеет свое, отличающееся от других, значение.
В данном исследовании изучаются именно голоса птиц.
Цель: разработать формальные обозначения, позволяющие анализировать спектрограммы голосов птиц для изучения их видовых различий.
Задачи:
Изучить различные методы визуализации звуковых сигналов
выбрать подходящий метод
определить для каждого вида птицы, выбранного для исследования, характерные для него элементы песни
сравнить состав и последовательность элементов песен разных видов птиц
составить алгоритм определения вида птицы по предложенному звуку.
В дальнейшем этот алгоритм можно использовать для создания программы.
Конечно, опытный исследователь, имеющий дело с определением голосов птиц уже не один год, сможет определить, кому принадлежит тот или иной звук. Однако как быть неподготовленному человеку, новичку? Для решения этой проблемы будет призвана эта система, которая поможет определить принадлежность звука к виду птицы. Определить вид птицы с помощью этой системы не составит труда. В мире существует движение, которое называется «birdwatching». Люди в свободное время наблюдают за птицами, изучают их поведение и т.п. Однако это движение мало развито в России. Эта система поможет привлечь новых людей, которые смогут записывать голоса птиц и определять их вид. Это поможет привлечь общественное внимание к экологическим проблемам.
Звуковые сигналы птиц и методы их анализа
Голосовой аппарат птиц
Птицы - виртуозные «музыканты». Одной из причин является наличие специально устроенного голосового аппарата. Он имеет и сходства и различия с голосовым аппаратом человека. Сходство в том, что оба этих голосовых аппарата принадлежат к типу духовых «музыкальных инструментов». Звук образуется за счет движения воздуха, выдыхаемого из легких. Воздушная струя приводит в колебания упругие перепонки, которые и рождают звуковую волну. Морозов В.П. Занимательная акустика. Изд. 2-е, доп., перераб. - М. : Знание, 1987. - 208 с. + 32 с. Вкл.
Любому музыкальному инструменту необходимо наличие усилителя звука, резонатора. Основными резонаторами в голосе человека являются глотка, ротовая и носовая полости, а также трахея. У птиц не одна гортань, а целые две: верхняя, как у всех млекопитающих, и нижняя. Причем главная роль в образовании звуков принадлежит именно нижней гортани, поэтому в процесс пения у них вовлекается весь организм.
Голосов аппарат птицы занимает значительную часть её тела
Гортань у птицы имеет не один, а четыре вибратора (источника звука), работающих независимо друг от друга. Голосовой аппарат можно сравнить с оркестром, при помощи которого птица исполняет свои «музыкальные произведения». Также нижняя гортань является сильнейшим резонатором.
Издаваемые птицей звуки, особенно те, которые создаются с помощью голосового аппарата, несут в себе определенную информацию. Птицы не потому поют, что им это нравится.
Как бы ни очаровывало нас пение птиц, нужно признать, что мы довольствуемся лишь частью эстетической информации, которую несут птичьи голоса. Это связано с тем, что наш слух не может воспринять многие высокие обертоны в голосе птиц, простирающиеся в область не слышимы нами ультразвуков. Морозов В.П. Занимательная акустика. Изд. 2-е, доп., перераб. - М. : Знание, 1987. - 208 с. + 32 с. Вкл. Не различаем мы и трели, то есть частые изменения громкости и высоты звуков.
Способы визуализации звукового сигнала
Чтобы преодолеть эти трудности, необходимы специальные технические приемы записи звуков животных. Иногда записи воспроизводят в замедленном темпе. При замедлении в 2,4, 8, 16 и более раз происходит во столько же раз понижение (уменьшение) частоты модуляций птичьего щебета, и он становится доступным для слухового восприятия Там же.. При этом также понижаются и становятся слышимыми и сверхвысокие звуки птиц - ультразвуки.
Однако для повышения точности исследования используют специальные программы, которые анализируют звук и выводят их в графические данные. Звук может быть представлен в виде осциллограммы, спектрограммы и энергетического спектра.
Осциллограмма
Осциллограмма - это развертка изменений амплитуды колебаний звуковой волны во времени. Осциллограмма - это непосредственное графическое изображение волнового процесса, поэтому амплитудные колебания направлены в обе стороны оси времени (оси абсцисс). Чем тише звук, тем ниже амплитуда звуковых колебаний и тем ближе она к нулевой отметке; чем громче звуковой сигнал, тем больше высота амплитудных кликов в обе стороны от нулевой оси. Осциллограмма позволяет точно измерять длительности звуковых посылок и интервалы между ними, а также оценивать относительную громкость разных участков звукового сигнала.
Рис.1 Осциллограмма криков ястреба-тетеревника
Спектрограмма
Спектрограмма - это развертка частоты звукового сигнала во времени и используется для анализа частотного спектра вокализаций. По оси абсцисс на рисунке отложено время, по оси ординат - частота. Если в сигнале присутствуют звуковые колебания определенной частоты, то на спектрограмме они изображаются в виде зачерненных участков. Причем чем выше относительная громкость данного частотного участка (т.е. чем выше энергия, выражающая в величине амплитуды звуковых колебаний, тем интенсивней его зачернение.
Рис. 2 Спектрограмма криков ястреба-тетеревника
Энергетический спектр
Энергетический спектр - это зависимость частоты от энергии звука. Энергетический спектр позволяет оценить распределение энергии в пределах всего звука в целом. Кроме того, режим моментальных энергетических срезов позволяет оценивать перераспределение энергии между частотами на протяжении звука Володин И.А., Володина Е.В. Методические рекомендации по изучению звукового поведения животных ГУК «Московский зоологический парк» 2008
Рис.3 Частотно-модулированный писк тушканчика-прыгуна (Allactaga sibirica) при беспокойстве со стороны человека. Слева от спектрограммы - суммарный энергетический спектр всего временного окна. Градация интенсивности разных частей сигнала приведена относительно участка максимальной громкости. Видно, что частоте максимальной энергии сигнала соответствует область частот около 5000 Гц; второй пик интенсивности приходится на частотную область 3400 - 3600 Гц.
Параметры, используемые для описания вокализаций
Параметры, используемые для описания вокализаций, можно распределить в три группы: временные, частотные и энергетические. Частота измеряется в Герцах (1 Гц - это одно колебание звуковой волны в 1с с, 1000 Гц =1 кГц); временная структура (длительности, периоды, интервалы, паузы и т.п.) - в секундах; энергетические параметры (интенсивность звуков) - в дециБелах (дБ). Энергия звука - величина всегда относительная. За ноль принимается самый интенсивный пик в анализируемом временном окне, а остальные рассчитываются относительно него в отрицательную сторону. В отличие от линейно изменяющихся характеристик частоты и времени, энергетические показатели имеют логарифмическую зависимость от интенсивности звука, поскольку при росте интенсивности звуковых колебаний (т.е. величины переносимой ими энергии) в геометрической прогрессии субъективно ощущаемая громкость возрастает приблизительно в арифметической прогрессии. ДециБелл - это логарифм интенсивности звука, поэтому десятикратное увеличение амплитуды приводит к 100-кратному увеличению интенсивности и 10-кратному увеличению значения в дБ.
Научные исследования в зоологических парках
Всё больше и больше уничтожаются природные места обитания птиц, поэтому необходимо потратить немало времени и усилий, чтобы найти подходящее место для записи звуков птиц. Важную роль в деле сохранения редких видов животных играют зоопарки. Для благополучного существования и воспроизводства животных зоопарка создаются условия, позволяющие им проявлять в неволе основные черты своего видового поведения Володин И.А., Володина Е.В. Научные исследования в зоологических парках. Выпуск 5. Москва, 1995. Биоакустические исследования в зоопарках ? возможности и перспективы.
У зоопарка есть ряд преимуществ - точность определения особи, наличие биографических данных о животных, возможность наблюдать поведение птиц, а также запись их голосов с близкого расстояния, возможность работать с несколькими особями. К тому же, исследование в парке обходится гораздо дешевле, нежели на воле. Зоопарк дает возможность для наблюдения и записи голосов тех птиц, которые представляют слишком большую ценность в генофонде популяции, чтобы исследовать их в лабораторных условиях.
Направления исследований вокального поведения животных могут быть самыми разными. Можно, например, определить индивидуальную принадлежность животных по особенностям голоса. Можно установить связь между структурой криков и моторными реакциями. С помощью видеосъемки можно «увидеть эмоцию», заглянуть в эмоциональный мир животного и оценить его внутреннее состояние Володин И.А., Володина Е.В. Научные исследования в зоологических парках. Выпуск 5. Москва, 1995. Биоакустические исследования в зоопарках ? возможности и перспективы.
Зоопарк выступает как прекрасная база для изучения разнообразных аспектов поведения большого числа видов животных. «В настоящее время исследования вокализаций животных ведутся в нескольких аспектах, и акустические методы находят применение в практике зоопарков, питомников, а также при разведении сельскохозяйственных животных» Там же..
Для чего применяются акустические методы анализа звуков птиц
Часто необходимо уточнить, к какому виду или подвиду принадлежит та или иная птица. Поскольку структура криков птиц специфична и различается у многих видов и подвидов птиц, применяются акустические методы анализа звуков птиц.
Также можно определить репродуктивное состояние и готовность к спариванию самок и самцов через определение оптимального времени для ссаживания животных.
Вокализации служат для животных средством коммуникации, передают объективную информацию о намерениях животного и его готовности к действию, и, кроме того, выражают внутреннее состояние животных Володин И.А., Володина Е.В. Научные исследования в зоологических парках. Выпуск 5. Москва, 1995. Биоакустические исследования в зоопарках ? возможности и перспективы.. В определенных случаях вокализация позволяет более точно определить поведение птиц во время взаимодействий, чем визуально наблюдаемое поведение. Поэтому акустические методы используют для оценки текущего эмоционального состояния и прогноза последующего поведения.
Определение пола животного может быть основано на особенностях вокализаций. Использованы различия по средней основной частоте главной части крика, следующей за вводным слогом. Различия достоверны и потенциально достаточны для различения криков на слух Там же.. Точность определения пола птенцов по частотным характеристикам криков дискомфорта составляет 75%, по длительности - 100%.
В среде зоопарка часто возникает необходимость компенсации стимулов брачного поведения и размножения. Такую роль выполняет звуковая среда в брачный период. Было доказано, что регулярное озвучивание экспериментальных птиц (перепел, фазан, кряква) записями брачных сигналов повышает оплодотворенность яиц на 6.9-21.5 %, при этом общая оплодотворенность яиц достигает 85.6-95.9 % Там же.. Это относится и к многим другим птицам.
Чтобы выявить сформированную пару животных, изучают характерные именно для их пары вокализации, которые используются для поддержания парной связи. Например, для журавлей характерно дуэтное пение. Выяснили, что такое пение достигает максимума через 3-4 недели после образования пар и не снижается в течение 1 года брачной жизни.
Также по особенностям вокализации животных можно определить социальный статус животного в группе.
В искусственном разведении до сих пор остается нерешенной проблема искажения стереотипа поведения у птиц, выращенных в условиях неволи. В таких случаях рекомендуют выращивать птенцов в изоляции от обслуживающего персонала и птиц других видов, и "озвучивать" их призывными сигналами самки Володин И.А., Володина Е.В. Научные исследования в зоологических парках. Выпуск 5. Москва, 1995. Биоакустические исследования в зоопарках ? возможности и перспективы..
Возможно отслеживание редко встречающихся, но важных форм поведения по сопровождающим животных акустическим сигналам. По характерным крикам наблюдатель может моментально акцентировать внимание на интересующем его животном.