Особенности распространения звуковых сигналов в связи с условиями среды

Акустические свойства подземных ходов, нор и других укрытий животных

Теперь рассмотрим другие места обитания животных, в которых звуковой фон практически отсутствует, зато особенно отчетливо проявляется затухание звука. Прежде всего это касается подземных ходов, нор и других укрытий животных. Все они являются своеобразными акустическими фильтрами. Поэтому оценка свойств среды подземных лабиринтов необходима для понимания специфики звуковой связи животных-землероев.

Очевидно, что в подземных ходах и в толще снега звуковое общение животных происходит при других условиях, нежели на поверхности земли, где звук в меньшей степени подвергается воздействию отражающих поверхностей. Совместно с А. В. Паниным и А. А. Шибковым мы провели исследование звуковых свойств подземных ходов животных. Основной задачей являлось измерение в ходах зависимости величины затухания звукового сигнала от его частоты. Были исследованы ходы обыкновенного крота и крота могеры, обыкновенного слепыша и северокитайского цокора.

Перед началом работы в двух местах на максимально отдаленном по возможности расстоянии друг от друга вскрывали исследуемый подземный ход животного. С одной стороны хода вводили закрепленный на штативе микрофон, подключенный к аппарату - анализатору частот. С другой стороны ход несколько расширяли в виде воронки, у среза которой на расстоянии двух сантиметров устанавливали громкоговоритель. Измерения проводили при подаче с громкоговорителя звуков частотой 0,1 -15 килогерц. Измерение в одном и том же ходе производили многократно, каждый раз вскрывая ход в новых местах, все ближе к источнику звука и переставляя туда микрофон. Последней точкой измерений для каждого хода был участок длиной около 15 сантиметров. Для всех случаев измерения уровень звукового давления подаваемых сигналов поддерживали постоянным. При оценке звуковых свойств хода рассчитывали разницу между уровнем звукового давления на расстоянии 5 сантиметров от громкоговорителя и уровнем сигналов, прошедших разный путь по длине хода. Полученные значения выражали в децибелах, причем надо учесть, что их отрицательная величина характеризовала степень затухания звука.

Проведенные исследования показали, что подземные ходы всех рассмотренных видов землероев представляют собой фильтры, полоса пропускания которых соответствует низкочастотному диапазону звука. Так, например, в ходах обыкновенного крота на расстоянии 40, 90 и 140 сантиметров наилучшее распространение имели звуковые волны с частотой колебаний 0,2 килогерца. Кроме того, выяснилось, что чем больше расстояние между излучателем и микрофоном, тем меньшая область частот передается по тоннелю без больших ослаблений. При этом меньше страдают низкочастотные звуки. Так, например, на расстоянии в 40 сантиметров интенсивность тонов частотой менее 0,7 килогерца падает не более чем на 10 децибел, в то время как звуки частотой 2 и 5 килогерц затухают на 40 и 80 децибел соответственно.

В ходах более крупных землероев - северокитайского цокора и могеры - распространение высокочастотных звуков несколько улучшается. В диапазоне 0,2-5 килогерц их амплитудно-частотная характеристика понижается только на 10 децибел, но далее происходит их резкое (30 децибел на октаву) затухание.

Затухание звуков разной частоты при их прохождении через участки подземного хода обыкновенного крота
13. Затухание звуков разной частоты при их прохождении через участки подземного хода обыкновенного крота, удаленные от источника звука на 40, 90 и 140 сантиметров. На рисунке хорошо видно, что чем длиннее ход, тем уже диапазон пропускаемых им частот. 14. Амплитудно-частотные спектры угрожающего звука обыкновенного слепыша в разных условиях его распространения - над поверхностью земли и в подземном ходе. За 100 процентов принята амплитуда всего издаваемого зверьком звука.

Аналогичные измерения в подземных ходах слепышей не проводились, однако было осуществлено несколько записей угрожающих звуков одних и тех же животных, находящихся в норе и на поверхности земли. Сравнение спектров сигналов выявило заметное влияние подземного хода на затухание звука. И в этом случае наибольшему затуханию оказались подвержены высокие частоты. При прохождении через подземный ход резко упал уровень второго спектрального максимума сигнала, а третий максимум вообще не был обнаружен. Об истинном же затухании высоких частот в подземных ходах слепышей можно судить лишь приблизительно. Так, если предположить, что прошедшие через ходы сигналы в момент их издавания животным имели такие же спектральные характеристики, что и сигналы, записанные в открытом пространстве (в частности, с частотой заполнения до 8 килогерц), то можно считать, что ход слепыша является фильтром, практически полностью ограничивающим прохождение звуков частотой более 1,5 килогерца. Однако следует учитывать, что в данном случае мы не располагали сведениями о расстоянии до животного в момент записи сигналов под землей.

Нами проводилась также теоретическая оценка звуковых свойств подземных ходов животных. Для упрощения было принято, что подземный ход представляет собой трубу постоянного поперечного сечения с абсолютно жесткими и гладкими стенками. Расчеты показали, что в ходе слепыша диаметром 10 сантиметров преимущественное распространение должны получать звуки с частотами менее 4,2 килогерца, а в ходе крота диаметром 4 сантиметра будут распространяться звуки с частотой менее 11,4 килогерца.

При сравнении теоретических и экспериментальных данных обнаруживаются заметные различия в абсолютных значениях предельных частот звуковых колебаний, распространяющихся по подземному ходу. Это обусловлено, по-видимому, теми допущениями, которые были введены во время проведенных расчетов. Однако в обоих случаях явно прослеживается преимущественное прохождение низкочастотных составляющих звукового сигнала. Именно эта часть спектра коммуникационного сигнала землероя может быть услышана его партнером.

Наши измерения амплитудно-частотных характеристик подземных ходов по своим условиям приближались к условиям оценки особенностей распространения звука в открытых волноводах. Однако при реальной подземной звуковой связи животных зверьки могут своим телом практически полностью перекрывать ход, в результате чего образуется труба конечных размеров, закрытая с обоих концов. Это вызывает отражение звука от ее торцов, то есть от животных, и образование двух бегущих волн с встречным направлением. В этом случае в результате интерференции звуковых волн образуются так называемые стоячие волны, которые приводят к появлению в ходах животных участков со значительно увеличенной и участков с минимальной интенсивностью звука. Поэтому при оценке условий распространения звуковых сигналов животными в подземных ходах, видимо, необходимо учитывать также и эффект перекрытия хода.