Дипломная работа Биоакустика птиц Выполнил

Оглавление. 2

Введение. 3

Звуковые сигналы птиц и методы их анализа. 4

Голосовой аппарат птиц. 4

Способы визуализации звукового сигнала. 5

Параметры, используемые для описания вокализаций. 7

Научные исследования в зоологических парках. 8

Для чего применяются акустические методы анализа звуков птиц. 9

Методы анализа звуковых сигналов 11

Сравнительный анализ спектрограмм песен зяблика и пеночки-веснички. 12

Материалы и методы. 12

Результаты и обсуждение. 12

Заключение 16

Литература. 17

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.¹

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.² 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 восприятия³. 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 звука⁴

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 поведения⁵

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 состояние⁶

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»⁷.

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 животных⁸. 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 слух⁹. 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 %¹⁰. 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 самки¹¹.

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.

Сложности, возникающие при проведении биоакустического исследования.

Прикладная биоакустика на настоящем этапе представляет собой набор частных случаев применения конкретных разработок для отдельных видов. Отсутствие общих методических подходов вынуждает исследователей каждый раз "подгонять" применяемые методы под изучаемый вид¹². Необходимо осторожно прослушивать записанные голоса птиц при анализе. Птицы могут услышать воспроизведенный звук и отреагировать самым непредсказуемым образом. Возможно излишнее перевозбуждение или наоборот затухание реакции на стимул.

В записи могут присутствовать посторонние шумы и помехи, а также голоса других птиц и животных.

Методы анализа звуковых сигналов

В настоящее время используется, по меньшей мере, пять различных методов количественной оценки индивидуальности криков: дискриминантный, кросс-корреляция, искусственные невральные и полиномиальные модели, которые часто комбинируются тем или иным способом. Выбор метода анализа зависит от задачи исследования и особенностей структуры звуков и условий записи.

Наиболее обычным методом для описания и количественной оценки изменчивости звуков является дискриминантный анализ. Следует знать, что выбор той или иной процедуры для оценки индивидуальной специфичности

криков может самым непосредственным образом влиять на полученные результаты и сделанные на их основании выводы¹³.

Сравнительный анализ спектрограмм песен зяблика и пеночки-веснички.

Цель: создать систему обозначений, позволяющую на основе визуального анализа спектрограмм голосов птиц изучать их индивидуальные и видовые особенности.

Задача: Необходимо определить для каждого вида птицы, выбранного для исследования, характерные для него звуки и составить систему определения вида птицы по предложенному звуку.

Гипотеза: на основании визуального анализа спектрограмм можно отличить песни зяблика (fringilla coelebs, подвид coelebs) и пеночки-веснички (Phylloscopus trochilus, подвид acredula).

Материалы и методы.

Анализировались записи голосов зяблика и пеночки, предоставленные фонотекой имени Вепринцева Б.Н., общей продолжительностью 6 минут, сделанные в различных местах на территории бывшего Советского Союза.

Методы: Построение спектрограмм осуществлялось в программе Avisoft SASLab Lite.

Результаты и обсуждение.

На основании визуального анализа спектрограмм были выявлены элементарные фрагменты, на которые раскладывается песни зяблика и пеночки-веснички, которые мы будем называть буквами. Всего таких букв у зяблика было выделено 24, а у пеночки – 15.

Алфавит

Пеночка	Зяблик
Апострофы, Правая злая бровь Чайка холмик змея слегка выпуклая горизонтальная черта горб Туфля без каблука Правая бровь Восходящая волна Усы 2 Наклоненный влево серп Горизонтальная линия	утенок молния усы бровь с пульсом пульс паук апостроф бровь волчок высокая гора горб-точка горный хребет горный хребет 2 затухающий росчерк птица в горах птица в горах 2 ресницы
	тушь холмик волчок1 холмы

Устойчивые сочетания букв (которые называются словами), для зяблика и пеночки – это повторение одной и тоже буквы, но у пеночки слова значительно короче, чем у зяблика.

Песня – это законченная последовательность слов.
Описание песни зяблика.

Песня зяблика состоит из 5-6 слов. Слово содержит от 1 до 12 букв. Песня заканчивается обычно устойчивым сочетанием в виде двух ушек, росчерка и точки.

В записях отдельных птиц было обнаружено повторение нескольких видов песен. У различных особей не было найдено полностью совпадающих песен.

Виды песен.

	№песни
Птица 1	1	4 брови с пульсом	6 апострофов	5-6 горных хребтов 2	1 Бровь	Росчерк
	2	4 туши	5 утенков	4 горных хребта	Две горы, паук	Росчерк
	3	6 утенков	2 птицы в горах	4 паука	1 бровь	Росчерк
Птица 2	4	6 волчков1	6 утенков	3 горных хребта	Две горы, холмы	Росчерк
	5	7 горных хребтов	3 холмов	Горный хребет		Росчерк
Птица 3	6	11 волчков	Пила (12 апострофов)	2 птицы в горах		Росчерк	Точка
	7	9 волчков1	3 пульса	7 горных хребтов2	1 холмик	Росчерк	Точка
	8	2-3 ресницы	9-10 волчков1	3 холмов	?	Росчерк
Птица 4	9	5 ресниц	Пила (9 апострофов)	4 птицы в горах	2 горы	Росчерк	Точка

Последовательность песен для разных птиц.

Птица 1: 1123

Птица 2: 4455

Птица 3: 88866666777777666666

Птица 4: 9999

Описание песни пеночки.

Песня пеночки состоит из 5-9 слов. Слово содержит от 1 до 5 букв.

Отдельные песни у пеночки различаются сильнее, чем у зяблика, и выделить среди них определенные типы трудно. Однако, несмотря на различия песен, можно выявить характерное расположение слов, общие для всех песен.

Апострофы	Правые брови	Горбы	Туфли без каблука	Линии или восходящие линии

Сравнение песен зяблика и пеночки.

Сходства: каждая песня состоит из коротких повторяющихся фрагментов.

Существуют фрагменты, общие для обоих видов:

Апострофы, горбы, холмики, правые брови и усы.

Пеночка	Зяблик
Апострофы,	апостроф
горб	горб-точка
холмик	холмик
Правая злая бровь Правая бровь	бровь
усы Усы 2	усы

Выводы.

Зяблики от пеночек отличаются по нескольким признакам:

1. 
   большинство букв не совпадает.
   
2. 
   песни двух видов различаются по количеству букв в слове: у зяблика их больше.
   
3. 
   у зяблика можно выделить виды песен, но у пеночки их нет, однако у обоих видов можно выделить характерное расположение слов в песне.
   

Заключение

На основании проведенного визуального анализа была создана система обозначений, с помощью которой можно различать два вида птиц и анализировать внутривидовую изменчивость. Основа системы – это алфавит песен для каждой птицы. С помощью него можно различать два вида птиц. Для более сложных случаев, когда какие-либо конкретные буквы сложно выделить, могут быть использованы шаблоны песен птиц, слова, длина песни/слова/буквы (т.е. длительность звука, песни).

Литература.

1. 
   Володин И.А., Володина Е.В., Кленова А.В. Сравнение методов визуальной классификации и дискриминантного анализа в применении к крикам белолицых свистящих уток (Dendrocygna viduata) // Казарка, Бюллетень Рабочей группы по гусеобразным северной Евразии, М., 2004, т. 10, с. 107-118.
   
2. 
   Володин И.А., Володина Е.В. Методические рекомендации по изучению звукового поведения животных ГУК «Московский зоологический парк» 2008. (2008) Руководство по исследованиям в зоопарках: Методические рекомендации по изучению звукового поведения животных. Московский зоопарк, Москва.
   
3. 
   Володин И.А., Володина Е.В. Министерство культуры Российской Федерации. Московский зоологический парк. Научные исследования в зоологических парках. Выпуск 5. Москва, 1995. Биоакустические исследования в зоопарках − возможности и перспективы.
   
4. 
   Морозов В.П. Занимательная акустика. Изд. 2-е, доп., перераб. – М. : Знание, 1987. – 208 с. + 32 с. Вкл.
   

1 Морозов В.П. Занимательная акустика. Изд. 2-е, доп., перераб. – М. : Знание, 1987. – 208 с. + 32 с. Вкл.

2 Морозов В.П. Занимательная акустика. Изд. 2-е, доп., перераб. – М. : Знание, 1987. – 208 с. + 32 с. Вкл.

3 Там же.

4 Володин И.А., Володина Е.В. Методические рекомендации по изучению звукового поведения животных ГУК «Московский зоологический парк» 2008

5 Володин И.А., Володина Е.В. Научные исследования в зоологических парках. Выпуск 5. Москва, 1995. Биоакустические исследования в зоопарках − возможности и перспективы.

6 Володин И.А., Володина Е.В. Научные исследования в зоологических парках. Выпуск 5. Москва, 1995. Биоакустические исследования в зоопарках − возможности и перспективы.

7 Там же.

8 Володин И.А., Володина Е.В. Научные исследования в зоологических парках. Выпуск 5. Москва, 1995. Биоакустические исследования в зоопарках − возможности и перспективы.

9 Там же.

10 Там же.

11 Володин И.А., Володина Е.В. Научные исследования в зоологических парках. Выпуск 5. Москва, 1995. Биоакустические исследования в зоопарках − возможности и перспективы.

12 Там же.

13 Володин И.А., Володина Е.В., Кленова А.В. Сравнение методов анализа // Казарка, Бюллетень Рабочей группы по гусеобразным северной Евразии, М., 2004, т. 10, с. 107-118.