Особливості поширення звукових сигналів в зв’язку з умовами середовища

Три ланки звукового зв'язку

Особливості поширення звукових сигналів в зв'язку з умовами середовища

Ефективність звуковий комунікації між тваринами багато в чому залежить від властивостей середовища, в якій передається інформація. Якщо говорити мовою теорії інформації, середовище проживання тварин виступає в ролі каналу акустичної зв'язку. Функціонування цього каналу зв'язку визначається не тільки властивостями проходить в середовищі звукового сигналу, але і властивостями самого середовища, а також рівнем її звукового фону, тобто наявністю в ній як в каналі зв'язку тих чи інших перешкод.

Загасання звуку.

Реальні випромінювачі звуку в чутному людиною діапазоні частот поширюють його в усіх напрямках. Тому під час розмови нам зовсім не обов'язково повертатися обличчям до свого співрозмовника, щоб його почути. Це, безумовно, дуже зручно. Однак в результаті такого поширення звуку його інтенсивність швидко падає. Так, для сферично поширюється в однорідному середовищі звуку подвоєння дальності супроводжується зменшенням звукового тиску в два, а інтенсивності - в чотири рази. Такий ефект розсіювання енергії звуку найбільше проявляється на низьких частотах.

При поширенні ж ультразвуку навіть на великі відстані розсіювання мало в силу освіти паралельних пучків звукових хвиль. Це дозволяє не тільки концентрувати всю енергію ультразвуку в потрібному напрямку, але і фокусувати її в певне місце. Так як інтенсивність ультразвуку, як і будь-якого звуку, зростає пропорційно квадрату амплітуди і частоти коливань, то при подальшому підвищенні частоти відносно легко можуть бути отримані ультразвуки величезної сили. Правда, зареєструвати такий звук можна лише тоді, коли приймач звуку знаходиться в цьому вузькому пучку ультразвукових хвиль.

Розсіювання енергії звуку впливає на дальність його поширення. В ідеально однорідному середовищі дальність поширення звуку залежить ще і від величини його поглинання самої середовищем. Ступінь поглинання істотно залежить від частоти звукового сигналу і тим більше, чим більше ця частота. Отже, у міру поширення складного звуку, а в природі переважна більшість звуків складні, відбувається нерівноцінне зміна, а саме зниження, амплітуд його частотних складових, в результаті чого змінюється спектральна характеристика всього сигналу. Таким чином, відбувається як би фільтрація звуку.

В результаті втрат енергії в середовищі швидше за все згасає ультразвук. Величина загасання ультразвуку характеризується коефіцієнтом поглинання, який показує ступінь зменшення амплітуди звуку в паралельному пучку ультразвукових хвиль з відстанню. Чим більше коефіцієнт поглинання, тим швидше затухає звук. Але коефіцієнт поглинання звуку пропорційний квадрату частоти. Отже, при збільшенні частоти звуку в десять разів коефіцієнт поглинання зростає в сто раз. Таким чином, ясно, що ультразвук, у якого частота вище, ніж у звуку, чутного людиною, повинен затухати на значно менших відстанях від джерела.

Все сказане вище стосувалося випадку поширення звуку в умовах ідеального середовища. Однак в природних умовах проживання тварин середовище, в якому поширюється звук, не ідеальна. В силу своєї неоднорідності вона підсилює загасання звуку. Різницю між реальним загасанням звуку в неоднорідному середовищі і його загасанням в ідеальному середовищі називають додатковим загасанням.

Виявити значення реального загасання звуку в даному середовищі за даних умов можна лише досвідченим шляхом, так як воно залежить від дуже багатьох чинників, в тому числі і від взаємного розташування генератора звуку і приймача. Наприклад, встановлено, що якщо обидва вони знаходяться в п'яти сантиметрах над поверхнею землі, а відстань між ними складає близько десяти метрів, то видаються тони при частотах 5-10 кілогерц загасають на 25-30 децибел, а при частотах 25-30 кілогерц - до 40 децибел. Якщо генератор підняти вище приймача приблизно на півметра, то загасання сигналу помітно послабиться: на частотах 5-10 кілогерц воно не перевищить 18 децибел, а на частотах 25-30 кілогерц - 34 децибел. Отже, для збільшення дальності звукового зв'язку видаючому сигнали тварині доцільно перебувати на якомусь узвишші.

У біоакустичні роботах ослаблення ультразвуку при поширенні його в повітрі розглянуто відносно звуків, що видаються ехолоцірующімі тваринами. Було показано, наприклад, що у вільному від перешкод просторі при випромінюванні ультразвуку частотою 40 кілогерц первісна його інтенсивність при проходженні відстані 10 метрів зменшується на 55 децибел. Взагалі ж зміна ультразвуку при його поширенні в умовах природного оточення тварин вивчено недостатньо. Перші результати таких досліджень мають попередній характер. Однак вони показали, що В умовах лісової місцевості з рідкісним древостоем спостерігається лише незначне додаткове загасання ультразвукових сигналів, тоді як лугові угіддя і поля, наприклад з пшеницею, діють як фільтр, що погано пропускає звуки частотою більше 20 кілогерц. Іншими дослідниками, крім того, було показано, що загасання ультразвукових сигналів на висоті одного метра над травою менше, ніж над позбавленим рослинності твердим покривом. За даними Р. Д. Жантіева, при проходженні через трав'яний покрив звуки частотою 10 кілогерц на відстані 1 метра загасають на 20 децибел, звуки частотою 20 кілогерц - на 30 децибел, а 30 кілогерц - на 50 децибел. Це створює сприятливі умови для акустичної орієнтації тих тварин, які мешкають у верхньому ярусі травостою.

У ряді робіт описано існування так званого звукового вікна, тобто зони частот звуку, для яких додаткове загасання в певних умовах мінімально. В цілому звукове вікно відповідає діапазону частот від 1 до 3 кілогерц. Таке звукове вікно виявлено біля поверхні землі (не вище одного метра) у всіх біотопах в зонах помірного і тропічного клімату. В лісистих місцях воно виявилося більш виражено, ніж на відкритих просторах, і діапазон його дещо зміщений в сторону більш низьких частот.