Bioakustyka - ebook

Wstęp do bioakustyki

Bioakustyka to nauka zajmująca się dźwiękami w świecie przyrody. Obejmuje wiedzę na pograniczu biologii i fizyki. Bada rolę dźwięków w świecie zwierząt i nie tylko.

Dane bioakustyczne interpretuje się, archiwizuje i wykorzystuje w wielu innych dziedzinach nauki. Często łączy ona świat nauki ze światem sztuki przenikając się i dopełniając. Dźwięki przyrody mogą być zagadkowe i inspirujące, niektóre są nieoczywiste. Zestawy dźwięków mogą tworzyć krajobrazy.

Bioakustykę pierwotnie uważano za dziedzinę związaną z rejestrowaniem dźwięków głównie dzikich zwierząt, często gromadzonych przez długi czas (dni, miesiące, lata) w celu monitorowania populacji niektórych gatunków, szkód w środowisku (w tym wpływu hałasu), badania mórz, oceanów i in. Obecnie bioakustyka pełni wiele funkcji a jej metody są wykorzystywane w monitorowaniu dobrostanu zwierząt hodowlanych oraz w badaniach behawioralnych zwierząt doświadczalnych, a także tresurze zwierząt towarzyszących.

Zarchiwizowane dane są często prezentowane graficznie i analizowane w oprogramowaniach komputerowych jak m.in. „Spectrograms” — dzięki, którym pozyskujemy informacje w postaci dźwięku i obrazu.

Wizualizacja danych jest niezwykle ważna w rejestrowaniu dzikiej przyrody, zakres fal w komunikacji niektórych zwierząt nie pokrywa się z odpowiadającym człowiekowi, na przykład wiele gatunków nietoperzy zbadano dzięki ich zdolności do echolokacji.

Gromadzenie danych bioakustycznych na przestrzeni czasu umożliwia prowadzenie stałego monitoringu i pozwala na szybkie reagowanie wobec negatywnych zmian w środowisku.

W wielu przypadkach prowadzenie obserwacji akustycznych w terenie pozwoliło na szybką interwencję przeciwko zubażaniu środowiska, w ramach ochrony zwierząt oraz roślin.

Obszary bioakustyki:

Bioakustyka zwierząt — zooakustyka

Bioakustyka roślin — botanoakustyka

Bioakustyka bentosu

Hydroakustyka

Mikroakustyka

Psychoakustyka i akustyka behawioralna zwierząt

i człowieka

Akustyka biomedyczna

Geoakustyka

Akustyka kulturowa

Antropologia dźwięku

Bioakustyka antropocenu

Bioakustyka kosmosu

Bioakustyka tropikalna

Możemy posługiwać się wieloma odmiennymi definicjami. Niektóre jednak różnią się jak zoosemiotyka.

Zoosemiotyce przypisuje się np. zainteresowanie sygnałami w świecie zwierząt.

Wiele zaskakujących informacji przyniosły obserwacje życia nietoperzy i podwodnego świata. Wśród nich opisano złożone funkcje echolokacji. Na przykład gdy karlik malutki lokalizuje swój cel i zbliża się do niego, przerwa pomiędzy poszczególnymi dźwiękami staje się coraz mniejsza, pod koniec zaś słyszymy brzęczenie (podczas jedzenia).

Bioakustyka korzysta z niezastąpionych narzędzi, które pozwalają identyfikować poprzez echolokację różne gatunki i badać różnorodność biologiczną tych gatunków w różnych miejscach. Techniki i metody bioakustyczne są bardzo ciekawe i możliwe do wszechstronnego zastosowania. Zwykle nie ingerują w środowisko i pozwalają na prowadzenie badań wtedy, gdy inne metody stają się zawodne — np. w nocy, przez dłuższy czas, w zimę, pod wodą itd.

Człowiek — Środowisko

Z odgłosów natury można korzystać na wiele sposobów, szczególnie w czasach gdy przyroda została zdominowana przez człowieka — określonych mianem antropocenu. (Krause B., 2015)

Przysłuchując się przyrodzie zaobserwowano duży problem, którym jest zanieczyszczenie hałasem, ma ono negatywny wpływ na środowisko i samego człowieka.

Stałe obserwowanie i analiza dźwięków fauny i flory, hałasu na przestrzeni lat, daje nam pełniejszy wgląd w środowisko i jego zmiany.

Istnieje wiele praktycznych zastosowań dla bioakustycznych urządzeń rejestrujących, które monitorują wpływ selektywnego pozyskiwania drewna na przyrodę.

Mówi nam to przede wszystkim o zmianach różnorodności biologicznej co jest niezwykle cenne w jej działaniach ochronnych.

Człowiek korzysta z dźwięków przyrody w celach terapeutycznych, rozrywki, nauki i in.

Antropocen

Pierwsze doświadczenia związane ze słuchaniem i nagrywaniem przyrody mogą zwrócić naszą uwagę na pewien zaskakujący problem, iż hałas wywołany przez człowieka jest prawie wszechobecny.

Może to być dźwięk piły łańcuchowej w lesie, fajerwerki, ruchliwe drogi i inny transport (np. lotniczy), polowania lub kłusownictwo, odgłosy z pobliskich domostw, szczekanie psów a nawet bicie odległych dzwonów kościelnych.

Często nagrywając w terenie zarejestrujemy niepożądane dźwięki autostrad lub samoloty (jest to dźwięk o niskiej częstotliwości przemieszczający się na duże odległości).

Duży wpływ na jakość uzyskanego nagrania ma postawa samego nagrywającego, jego nawyki, cierpliwość i umiejętności posługiwania się narzędziami.

Do pełniejszego zrozumienia bioakustyki przydatna może być znajomość niektórych technicznych zagadnień związanych z teorią fal, dźwiękiem, programowaniem, języki obce.

Dźwięk

Dźwięki są to drgania ośrodka sprężystego, które rozprzestrzeniają się jako fale akustyczne.

Opisuje się je przy pomocy cech:

Głośność — rośnie wraz ze wzrostem natężenia fali (choć nieliniowo)

Barwa — zależna jest od rozkładu natężenia i częstotliwości w widmie fal

Drgania są szczególnym rodzajem ruchu okresowego.

Ruch drgający opisuje się w fizyce własnościami:

Wychyleniem z położenia równowagi (amplitudą)

Fazą początkową

Przesunięciem fazowym

Zmiany zależności wychylenia do czasu można przedstawić na wykresie.

Przykładem drgań w przyrodzie jest bicie serca (o częstości drgań 1 Hz) lub oddychanie (o częstości ok. 0,25 Hz).

Analiza harmoniczna

Drgania złożone można badać i szczegółowo opisywać. Wykorzystuje się do tego metody matematyczne, urządzenia elektroniczne i mechaniczne. Analizatory harmoniczne pozwalają przedstawić zebrane dane w sposób graficzny.

Na energię w układzie drgającym składa się suma energii kinetycznej i potencjalnej.

Rozprzestrzenianie się fal w ośrodku wiąże się z wpływem na ten ruch siły oporu.

Dlatego możemy wyróżnić drgania: tłumione i wymuszone.

W drganiach tłumionych wraz z upływem czasu maleje amplituda (zmniejsza się energia poprzez jej rozproszenie, dyssypację).

Aby skompensować utratę drgań na osi czasu uzyskuje się drgania wymuszone za pośrednictwem zewnętrznej siły. Jeśli drgania wymuszone posiadają maksymalną aplitudę — mówimy o rezonansie. Zjawisko rezonansu wykorzystuje się do wzmacniania dźwięków. Jest ono stale wykorzystywane w naszym narządzie słuchu.

Ruch falowy jest rozchodzeniem się w przestrzeni drgań — zmian energii. Fala taka rozchodzi się dzięki rozrzedzeniom i zagęszczeniom ośrodka — a więc zmianom ciśnienia.

Fale akustyczne mają charakter drgań mechanicznych. Dzieli się je na trzy główne;

zakresy:

0 — 20 Hz to infradźwięki

20 — 20 000 Hz dźwięki słyszalne

Powyżej 20 000 Hz ultradźwięki

Dźwięki słyszalne i niesłyszalne (fale) oddziałują na człowieka i zwierzęta — nie tylko wywołując określone wrażenia słuchowe i umożliwiając komunikację…

Działanie drgań może być pozytywne i negatywne.

Negatywne oddziaływanie drgań na zdrowie zależy od natężenia, amplitudy oraz ośrodka. Jednym z poznanych efektów biologicznych ultradźwięków jest niszczenie czerwonych krwinek.

Ultradźwięki wykorzystuje się do niszczenia pierwotniaków i bakterii, co określa się jako ich,,napromieniowanie”. Pozytywnym wykorzystaniem tego zjawiska jest,,napromieniowanie” żywności i innych produktów sprawiając, że są one bezpieczniejsze dla człowieka jako konsumenta.

Dźwięk w środowisku

Głównym parametrem rozprzestrzeniającego się dźwięku, który zmienia się w zależności od ośrodka jest jego prędkość. Zależy to od zdolności odkształcania się danego ośrodka (zgodnie z teorią powstawania zagęszczeń i rozrzedzeń). Określa się to jako,,impedancję”.

W powietrzu atmosferycznym rozchodzenie się dźwięku determinują: wilgotność, wiatr, współczynnik ściśliwości

W cieczach i ciałach stałych oblicza się to zgodnie ze wzorem Newtona. Dzięki niemu możemy obliczyć prędkość rozchodzenia się fali w tkankach.

Rozchodzenie się fal w środowisku wodnym jest szybsze, ich pochłanialność jest słabsza niż w na lądzie!

Bioakustyka korzysta z wielu narzędzi i technik, które pozwalają jak najlepiej pozyskać i zarejestrować a następnie odtworzyć i przechowywać plik dźwiękowy.

Podstawowe narzędzia używane w bioakustyce:

Rejestratory

Mikrofony

Kable i złącza

Oprogramowanie

Dodatkowe narzędzia

Urządzenia rejestrujące — rejestratory

Bioakustyczne urządzenia monitorujące

Ręczne urządzenie rejestrujące dźwięki środowiska, umożliwiające ustawienie czas początkowego i końcowego nagrywania

Detektor z rejestratorem określonych częstotliwości (np. dla echolokacji nietoperzy).

Mikrofony

Mikrofon; Mid-side

Mikrofon; X/Y

Mikrofon kierunkowy typu Shotgun

Mikrofon kontaktowy

Mikrofon to przetwornik elektroakustyczny służący do przetwarzania fal dźwiękowych na zmienny prąd elektryczny.

Mikrofon kontaktowy jest ciekawym urządzeniem ponieważ pozwala wzmacniać dźwięki, których często nie usłyszymy.

Hydrofony

To przykład mikrofonu rejestrującego dźwięki w cieczach, w tym w środowisku wodnym

Osłona przeciwwiatrowa

Gąbka — owiewka na mikrofon

Deadcat

Dodatkowe narzędzia

Słuchawki są przykładem dodatkowych narzędzi, W niektórych rejestratorach istnieje możliwość korzystania tylko z słuchawek przewodowych.

Słuchawki wokółuszne zapewniają dobrą izolację od hałasów z zewnątrz

Długi kabel jest wygodny i pozwala na pozostawienie rejestratora w dalszej odległości (a to zapewnia lepsze warunki do nagrań, zapobiega przed hałasami pochodzącymi od osoby rejestrującej przyrodę)

Jakość dźwięku można wstępnie ustalić na podstawie parametrów: zakresu pasma przenoszenia, impedancji i dynamiki głośnikówBioakustyka

Środowisko lądowe

Gdy dźwięk się przemieszcza, dźwięki o wysokiej częstotliwości rozpraszają się, a dźwięki o niskiej częstotliwości przemieszczają się dalej (na przykład grzmot burzy… usłyszymy tylko niskie odgłosy, nawet jeśli są daleko).

Słonie są znane z tego, że ich dźwięki przemieszczają się na naprawdę duże odległości. Uważa się, że w ten sposób całe stado komunikuje się za pośrednictwem infradźwięków, a ich komunikacja bazuje na częstotliwościach poniżej 20 Hz — które pokonują dalekie kilometry. Komunikacja u słoni pełni ważną część ich życia społecznego.

Okno dźwiękowe w lesie

Jest to ogólny wgląd lub szczegółowa perspektywa w odgłosy lasu, inaczej rzecz biorąc to ogólna atmosfera zebranych nagrań.

Okna dźwiękowe nazywane są również,,kompresją” wszystkich dźwięków na przestrzeni określonego czasu — sezonu lub całych lat,

W celu stworzenia dokładnego obrazu dźwiękowego dla danego miejsca (obecnej tam dzikiej przyrody, krajobrazów dźwiękowych).

Środowisko lądowe niesie ze sobą pewne wyzwania dla osoby rejestrującej dźwięk przyrody, które wynikają przede wszystkim ze zmiennych warunków atmosferycznych. Z jednej strony istnieje możliwość rejestracji: deszczu, ruchu wody, wiatru, burzy itd.

Z drugiej zaś zjawiska te (np. wiatr) często jest efektem niepożądanym, zakłócającym możliwość uzyskania określonego dźwięku.

Niektóre rejony cechują się specyficznym mikroklimatem co sprawia, że trudniej jest prowadzić obserwacje bioakustyczne (np. obszary górskie zwykle są bardziej wietrzne).

Środowisko lądowe mimo to daje możliwość prowadzenia łatwiejszych, stałych obserwacji a także lepszego oznaczenia granic terenu jaki podlega badaniom.

Obserwacje akustyczne mikroświata

Stosowane są głównie do obserwacji życia mikroorganizmów na podstawie wydawanych lub wytwarzanych przez nie dźwięków. Głównie małych organizmów — owadów, pająków, skorupiaków, mięczaków i in. Technologie te mają też zastosowanie w aparaturze laboratoryjnej i diagnostycznej.

Standardowe lub rozszerzone techniki obserwacji akustycznej, jakie obecnie znamy, nie będą miały zastosowania do nagrywania dźwięków mikroświata w sferze laboratoryjnej. Jednym z potencjalnych sposobów jest sonifikacja — przekształcanie zakresów danych w informacje na poziomie częstotliwości, a następnie w syntezowany dźwięk.

Dwóch naukowców, Ashley Nord (USA) i Matt Baker (Australia), do swoich badań wykonywali lasery i używali plastikowych koralików, aby uzyskać dźwięk pływających bakterii. Ten następnie został zsyntetyzowany co zaowocowało krótkim segmentem dźwięku.

Wcześniej pokazano jeszcze możliwości wykorzystania laserów do rejestrowania precyzyjnych dźwięków na duże odległości, przy użyciu membran do wychwytywania tych dźwięków. Laser posiada ogromny potencjał w badaniach akustycznych nie tylko mikroświata

Środowisko wodne

Techniki hydroakustyczne

Techniki z wykorzystaniem hydrofonów pierwotnie służyły do wykrywania okrętów podwodnych podczas zimnej wojny.

Dźwięk przepływa przez wodę szybciej niż w powietrzu (pięć razy szybciej).

Z tego względu nie stosuje się konwencjonalnych technik nagrywania, aby odtworzyć warunki środowiska należy dostosować rozmieszczenie mikrofonów i ich odległość (często w szerszych odstępach), aby stworzyć wrażenie „czasu przybycia” podczas korzystania z hydrofonów w konfiguracji stereo lub ambisonic.

Zastosowanie hydrofonu różni się znacznie w zależności od celu prowadzonych czynności bioakustycznych. Może to być metoda upuszczania i odzyskiwania, lub metoda z pozostawieniem elementu rejestrującego (hydrofonu) pod wodą na wiele miesięcy.

Tą drugą często używa się do monitorowania ruchu łodzi i zanieczyszczeń podwodnych (hałasu) oraz obserwacji podwodnego życia w środowisku morskim i oceanach (np. wielorybów, delfinów, orek itp.).

Techniki hydroakustyczne

W środowisku wodnym trudniej ulegają rozproszeniu ultradźwięki dlatego mogą służyć one do pomiarów głębokości mórz i oceanów, lokalizowania struktur dennych czy ławic.

W obserwacjach hydroakustycznych zwraca się uwagę na:

rozkład przestrzenny i migracje organizmów wodnych

dobowe i sezonowe zmiany rozmieszczenia, statystyki roczne

ocena biomasy

identyfikacja gatunkowa

Stopień przeprowadzania fotosyntezy przez rośliny podwodne

Organizmy wodne

Wszystkie organizmy komunikują się w jakiś sposób, w zasadzie większość z nich została zbadana i udokumentowana. Dźwięki są wytwarzane w postaci głosu przy pomocy narządu głosotwórczego lub innych części ciała. Wiele organizmów wodnych przystosowanych jest do wykorzystywania środowiska wodnego aby sprawnie porozumiewać się lub orientować w przestrzeni (nie posiadając przy tym typowego dla człowieka ucha i narządu równowagi).

Pomiar zanieczyszczeń środowiska wodnego

Pomiarów zanieczyszczeń środowiska wodnego zwykle dokonuje się przy pomocy bezobsługowych podwodnych stacji monitorowania akustycznego. Rejestrują one dźwięk na przestrzeni czasu. Często pozostawiane są one na dnie morza lub przymocowane do łodzi i wraz z nimi przemieszczają się na określonym obszarze.

Najczęstszym źródłem hałasu w tym środowisku jest transport śródlądowy.

Takie zanieczyszczenia negatywnie wpływają na organizmy wodne. Zaobserwowano na przykład, że pieśni wielorybów lub delfinów zmieniają się w odpowiedzi na zakłócenia jakie tworzone są przez silniki statków. Zakłóca to ich komunikację, wpływa na życie społeczne a w konsekwencji może decydować o dobrostanie życia i ciągłości gatunku.

Zanieczyszczenie hałasem ma wpływ na komunikację jako taką, w szczególności może mieć wpływ na czynności związane z rozrodem a także poszukiwanie pożywienia.

Niektórzy posługują się nawet określeniem wpływu hałasu jako czynnika,,letalnego” dla wielu gatunków roślin i zwierząt. Należy podkreślić, że niektóre dźwięki są całkowicie obce dla naturalnych siedlisk i negatywnie wpływają na zachowania życia morskiego.

Udowodniono, że zanieczyszczenia dźwiękowe mogą prowadzić do plażowania wielorybów i innych gatunków.

Echosonda

Służy do pomiaru odległości od struktur, przedmiotów, organizmów w wodzie. Jest to pomiar uzyskiwany dzięki fali powracającej od odbitej struktury w określonym czasie

Echosonda umożliwia m.in. mapowanie zbiorników wodnych, badanie struktury gatunkowej ryb, prace poszukiwawcze i in.

Akustyka w medycynie

Sound Health Research Institute — BioAcoustics™ zajmuje się wpływem dźwięków na zdrowie. Wiadome jest, że dźwięki otoczenia mogą w różny sposób wpływać na zdrowie człowieka. Wokalizacja, a więc to jakie dźwięki wydają ludzie i zwierzęta, może wiele mówić o ich zdrowiu.

Istnieje prawdopodobieństwo, że w przyszłości indywidualne cechy głosu zostaną uznane za dane biometryczne. Będą mogły być wykorzystywane w nowoczesnych technologiach — wielu urządzeniach życia codziennego, technikach kryminalistycznych w identyfikacji osób i in. Urządzenia nanoVoice pozwalają na tworzenie profilów osobowości. Mogą być wykorzystywane rutynowo w psychologii i psychiatrii ale nie tylko. Zbieranie, analizowanie i przetwarzanie dźwięków człowieka i zwierząt może pozwalać na tworzenie nowych usług w ramach diagnostyki klinicznej.

Techniki ultradźwiękowe