Три звена звуковой связи

Особенности распространения звуковых сигналов в связи с условиями среды

Эффективность звуковой коммуникации между животными во многом зависит от свойств среды, в которой передается информация. Говоря языком теории информации, среда обитания животных выступает в роли канала акустической связи. Функционирование этого канала связи определяется не только свойствами проходящего в среде звукового сигнала, но и свойствами самой среды, а также уровнем ее звукового фона, то есть наличием в ней как в канале связи тех или иных помех.

Затухание звука.

Реальные излучатели звука в слышимом человеком диапазоне частот распространяют его во всех направлениях. Поэтому во время разговора нам совсем не обязательно поворачиваться лицом к своему собеседнику, чтобы его услышать. Это, безусловно, очень удобно. Однако в результате такого распространения звука его интенсивность быстро падает. Так, для сферически распространяющегося в однородной среде звука удвоение дальности сопровождается уменьшением звукового давления в два, а интенсивности - в четыре раза. Такой эффект рассеивания энергии звука более всего проявляется на низких частотах.

При распространении же ультразвука даже на большие расстояния рассеивание мало в силу образования параллельных пучков звуковых волн. Это позволяет не только концентрировать всю энергию ультразвука в нужном направлении, но и фокусировать ее в определенное место. Так как интенсивность ультразвука, как и всякого звука, возрастает пропорционально квадрату амплитуды и частоты колебаний, то при дальнейшем повышении частоты относительно легко могут быть получены ультразвуки огромной силы. Правда, зарегистрировать такой звук можно лишь тогда, когда приемник звука находится в этом узком пучке ультразвуковых волн.

Рассеивание энергии звука влияет на дальность его распространения. В идеально однородной среде дальность распространения звука зависит еще и от величины его поглощения самой средой. Степень поглощения существенно зависит от частоты звукового сигнала и тем больше, чем больше эта частота. Следовательно, по мере распространения сложного звука, а в природе подавляющее большинство звуков сложные, происходит неравноценное изменение, а именно понижение, амплитуд его частотных составляющих, в результате чего изменяется спектральная характеристика всего сигнала. Таким образом, происходит как бы фильтрация звука.

В результате потерь энергии в среде быстрее всего затухает ультразвук. Величина затухания ультразвука характеризуется коэффициентом поглощения, который показывает степень уменьшения амплитуды звука в параллельном пучке ультразвуковых волн с расстоянием. Чем больше коэффициент поглощения, тем быстрее затухает звук. Но коэффициент поглощения звука пропорционален квадрату частоты. Следовательно, при увеличении частоты звука в десять раз коэффициент поглощения возрастает в сто раз. Таким образом, ясно, что ультразвук, у которого частота выше, чем у звука, слышимого человеком, должен затухать на значительно меньших расстояниях от источника.

Все сказанное выше касалось случая распространения звука в условиях идеальной среды. Однако в естественных условиях обитания животных среда, в которой распространяется звук, не идеальна. В силу своей неоднородности она усиливает затухание звука. Разницу между реальным затуханием звука в неоднородной среде и его затуханием в идеальной среде называют добавочным затуханием.

Выявить значение реального затухания звука в данной среде при данных условиях можно лишь опытным путем, так как оно зависит от очень многих факторов, в том числе и от взаимного расположения генератора звука и приемника. Например, установлено, что если оба они находятся в пяти сантиметрах над поверхностью земли, а расстояние между ними составляет около десяти метров, то издаваемые тональные сигналы при частотах 5-10 килогерц затухают на 25-30 децибел, а при частотах 25-30 килогерц - до 40 децибел. Если генератор поднять выше приемника примерно на полметра, то затухание сигнала заметно ослабится: на частотах 5-10 килогерц оно не превысит 18 децибел, а на частотах 25-30 килогерц - 34 децибел. Следовательно, для увеличения дальности звуковой связи издающему сигналы животному целесообразно находиться на каком-нибудь возвышении.

Частота издаваемого сигнала и место, в частности высота, расположения его источника влияют на распространение звукового сигнала даже в большей степени, чем условия среды. По данным измерений К. Мартина и П. Марлера, когда источник звука был ближе к земле (на высоте пятнадцати сантиметров и одного метра), все частоты затухали сильнее, чем на больших высотах (до десяти метров), Причем в открытых местах этот эффект проявлялся отчетливее, чем в лесистых. Характер зависимости добавочного затухания от частоты звука был одинаковым во всех исследованных биотопах: в открытом поле, в хвойном лесу и в различных типах лиственного леса. Практически на всех высотах, на которых устанавливался источник звука (измерения проводились на высоте 0,15, 1, 2, 5 и 10 метров), низкие частоты распространялись лучше, чем высокие.

В биоакустических работах ослабление ультразвука при распространении его в воздухе рассмотрено в отношении звуков, издаваемых эхолоцирующими животными. Было показано, например, что в свободном от преград пространстве при излучении ультразвука частотой 40 килогерц первоначальная его интенсивность при прохождении расстояния 10 метров уменьшается на 55 децибел. Вообще же изменение ультразвука при его распространении в условиях естественного окружения животных изучено недостаточно. Первые результаты таких исследований имеют предварительный характер. Однако они показали, что В условиях лесной местности с редким древостоем наблюдается лишь незначительное добавочное затухание ультразвуковых сигналов, тогда как луговые угодья и поля, например с пшеницей, действуют как фильтр, плохо пропускающий звуки частотой более 20 килогерц. Другими исследователями, кроме того, было показано, что затухание ультразвуковых сигналов на высоте одного метра над травой меньше, чем над лишенным растительности твердым покровом. По данным Р. Д. Жантиева, при прохождении через травяной покров звуки частотой 10 килогерц на расстоянии 1 метра затухают на 20 децибел, звуки частотой 20 килогерц - на 30 децибел, а 30 килогерц - на 50 децибел. Это создает благоприятные условия для акустической ориентации тех животных, которые обитают в верхнем ярусе травостоя.

В ряде работ описано существование так называемого звукового окна, то есть зоны частот звука, для которых добавочное затухание в определенных условиях минимально. В целом звуковое окно соответствует диапазону частот от 1 до 3 килогерц. Такое звуковое окно обнаружено у поверхности земли (не выше одного метра) во всех биотопах в зонах умеренного и тропического климатов. В лесистых местах оно оказалось более выражено, чем на открытых пространствах, и диапазон его несколько смещен в сторону более низких частот.