научная статья по теме ВЛИЯНИЕ АМПЛИТУДНОЙ МОДУЛЯЦИИ НА СТРУКТУРУ СПЕКТРА ЗВУКОВОГО СИГНАЛА СУРКОВ (MARMOTA, RODENTIA, SCIURIDAE) Биология

Текст научной статьи на тему «ВЛИЯНИЕ АМПЛИТУДНОЙ МОДУЛЯЦИИ НА СТРУКТУРУ СПЕКТРА ЗВУКОВОГО СИГНАЛА СУРКОВ (MARMOTA, RODENTIA, SCIURIDAE)»

ИЗВЕСТИЯ РАИ. СЕРИЯ БИОЛОГИЧЕСКАЯ, 2007, № 4, с. 428-436

= ЗООЛОГИЯ =

УДК 599.3222:591582

ВЛИЯНИЕ АМПЛИТУДНОЙ МОДУЛЯЦИИ НА СТРУКТУРУ СПЕКТРА ЗВУКОВОГО СИГНАЛА СУРКОВ (Marmota, Rodentia, Sciuridae)

© 2007 г. А. А. Никольский

Российский университет дружбы народов, экологический факультет, 113093 Москва, Подольское ш, 8/5 E-mail: bobak@list.ru Поступила в редакцию 11.09.2006 г.

На примере звукового предупреждающего об опасности сигнала трех видов сурков (монгольского сурка, сурка Мензбира и длиннохвостого сурка) показана связь между амплитудной модуляцией (AM) и структурой спектра издаваемых животными звуков. В случае АМ выше и ниже несущей частоты (частоты заполнения) формируются боковые частоты. И напротив, в сигналах, лишенных AM, боковые частоты отсутствуют.

АМ - изменение амплитуды сигнала во времени - широко распространена среди звуковых сигналов млекопитающих, что было показано уже в первой обобщающей работе Темброка (Тет-Ьгоск, 1963). Замечательное свойство АМ состоит в том, что модулирующее колебание изменяет структуру спектра передаваемого сообщения. Именно это свойство АМ на протяжении десятков лет повседневно используется в радиосвязи. Разнообразие АМ звуковых сигналов млекопитающих позволяет предположить, что она способствует решению животными множества различных задач, связанных с передачей сообщений по акустическому каналу связи. Однако в биологической литературе механизм управления спектром звуковых сигналов животных посредством АМ пока не нашел достаточного отражения.

В результате АМ выше и ниже несущей частоты, или частоты заполнения сигнала (Р0), той частоты, которая, собственно, и подвергается АМ, образуются боковые частоты (О) (Баскаков, 2003). В простейшем случае, когда модулирующее колебание является гармоническим, выше и ниже несущей частоты добавляется по одной боковой частоте: + О - верхняя боковая частота,

- О - нижняя боковая частота. Однако такие однотональные модулирующие колебания среди звуковых сигналов животных или не встречаются, или крайне редки. Обычно же модулирующему колебанию свойствен сложный спектральный состав. Помимо основного колебания в спектре такого сигнала содержатся группы верхних и нижних боковых частот. Боковые частоты образуют упорядоченную возрастающую последовательность Ох < О2 < ... < (Баскаков, 2003). Верхние и нижние боковые частоты связаны с несущей частотой отношением: ± (/ = 1, 2, ...).

В отличие от ряда Фурье частоты Ц не обязаны быть кратными друг другу, спектр верхних боковых частот является масштабной копией спектра модулирующего колебания, сдвинутых в область высоких частот на величину несущей частоты F0; спектр нижних боковых частот располагается зеркально относительно несущей частоты F0 (Баскаков, 2003). Перечисленные свойства АМ-сигналов существенны, так как их приходится учитывать при диагностике механизмов формирования спектра звуковых сигналов животных, когда есть основания предполагать, что структура спектра управляется АМ.

Задача работы состояла в том, чтобы показать влияние АМ на спектр акустических сигналов млекопитающих. В качестве примера выбран звуковой предупреждающий об опасности сигнал (далее - сигнал) трех видов сурков: монгольского, или тарбагана (Marmota sibirica), сурка Мензбира (M. menzbieri) и длиннохвостого, или красного сурка (M. caudata) (Никольский, 1984, 1992). Сигнал состоит из отдельных звуков, организованных в ряды или серии.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

Основным материалом для нашей работы послужили образцы сигнала с хорошо выраженной АМ, характерной для каждого из трех видов сурков, и для сравнения представлены образцы того же сигнала без или со слабо выраженной модуляцией.

Сигнал записан на магнитную ленту в полевых условиях. Магнитофоны и микрофоны позволяли регистрировать сигнал в диапазоне от 60 до 12000-16000 Гц. Хранящиеся на магнитной ленте записи оцифрованы и записаны на компакт-диск (CD). С диска сигнал вводили в компьютер и ана-

+1

(а) т

(в)

100

MC

6

кГц

Рис. 1. АМ-сигнал монгольского сурка: а - амплитудно-временная характеристика (осциллограмма) сигнала; б - соно-грамма сигнала; в - два периода АМ; г - спектр мощности двух периодов АМ. Т - общая длительность сигнала; ^ - длительность двух периодов АМ; То - период несущей частоты; Та - период АМ; НЧ - низкочастотный компонент; ВЧ -высокочастотный компонент; р - несущая частота; О - частота АМ; (р + Ох-.., П5) - 1-4-я верхние боковые частоты; (р - Ох..., 05) - 1-4-я нижние боковые частоты; Амакс - максимальная амплитуда модулированного колебания; Амин - минимальная амплитуда модулированного колебания. (Для рис. 1, 3, 4).

лизировали с помощью программы SpectraLab v.4.32.11 for Win.

Сигналу перечисленных видов сурков свойственна АМ, которой сопутствуют частоты, расположенные выше и ниже основной частоты.

Сигнал монгольского сурка состоит из двух компонентов: низко- и высокочастотного. Спектр высокочастотного компонента обычно осложнен боковыми частотами, но у разных особей они выражены в разной степени, иногда отсутствуют (Никольский, 1976; рис. 1, 2). Поэтому в работу включены два образца сигнала: 1) с хорошо выраженной АМ и соответственно с боковыми частотами в спектре; 2) практически без АМ и соответственно без выраженных боковых частот. В обоих случаях сигнал принадлежит взрослым суркам. Материал собран в Центральном аймаке Монголии, июнь 1975 г. Коллектор А.А. Никольский.

Началу сигнала сурка Мензбира свойствен сла-бовыраженный низкочастотный компонент. Обычно он переходит в короткий участок, осложненный боковыми частотами (Никольский, 1976; Nikol'skii, Pereladova, 1994) (рис. 3). Представленный в работе образец сигнала принадлежит взрослой особи. Записан в Чаткальском государственном заповеднике

(Узбекистан), июль 1974 г. Коллектор О.Б. Перела-дова.

Наиболее характерный признак сигнала длиннохвостого, или красного сурка, глубокая АМ (Никольский, 1976; Никольский и др., 1999). Но у молодых животных она выражена в меньшей степени, чем у взрослых. Поэтому в работе использованы два образца сигнала: 1) сигнал взрослого сурка с АМ и, соответственно, с многочисленными боковыми частотами в спектре (рис. 4). Записан в Ошской обл. Киргизии, август 1966 г. Коллекторы Т.Ю. Лисицына, А.А. Никольский; 2) сигнал молодого сурка практически без АМ и, соответственно, без выраженных боковых частот (рис. 5). Записан в западной части Заалайского хребта (Таджикистан), июль 1988 г. Коллектор Н.Л. Нестерова.

Диагностику влияния АМ на спектральную структуру мы проводили, используя четыре характеристики сигнала:

1. Амплитудно-временная характеристика (осциллограмма) с относительно низким временным разрешением, достаточным для обнаружения модулирующего колебания. Этот первый, предварительный этап диагностики, позволяет выявить наличие (отсутствие) АМ.

Рис. 2. Сигнал монгольского сурка со слабо выраженной АМ: а - осциллограмма сигнала; б - сонограмма сигнала; в -фрагмент сигнала, включающий низкочастотный и высокочастотный компоненты с АМ; г - фрагмент сигнала без АМ.

- длительность фрагмента сигнала, включающего низкочастотный и высокочастотный компоненты с АМ; ^ - длительность фрагмента сигнала без АМ.

Рис. 4. Амплитудно-модулированный сигнал взрослого красного сурка. ИЗВЕСТИЯ РАН. СЕРИЯ БИОЛОГИЧЕСКАЯ № 4 2007

Рис. 5. Сигнал молодого красного сурка без регулярной АМ: а - осциллограмма сигнала; б - сонограмма сигнала; в -амплитудно-временная характеристика короткого фрагмента сигнала длительностью - несущая частота.

2. Сонограмма. Спектр сигнала в форме соно-граммы позволяет в наглядной форме продемонстрировать наличие боковых частот и их распределение в окрестностях несущей частоты.

3. Осциллограмма с высоким временным разрешением. Высокое временное разрешение амплитудно-временных характеристик сигнала позволяет, во-первых, выявить соотношение периодов несущего и модулирующего колебаний и, во-вторых, дает возможность непосредственно измерить период АМ.

4. Спектры мощности. Как интегральные спектрограммы они позволяют: а) получить дополнительную информацию о наличии (отсутствии) боковых частот; б) измерить значения несущей частоты и боковых частот; в) вычислить частоты модулирующего колебания Последнее учитывает свойство АМ-сигналов, состоящее в том, что верхние и нижние боковые частоты сдвинуты вверх и вниз на величину несущей частоты (Р0). Например, измеренные по спектру мощности несущая частота сигнала (Р0) монгольского сурка равна 4136 Гц, третья нижняя боко-

вая частота (F0 - О3) равна 2845 Гц. Соответственно, частота модулирующего колебания О3 равна 1291 Гц (4136 - 2845) (таблица).

Из анализа образцов сигнала, в которых отсутствует AM (рис. 2, 5), спектр мощности исключен, так как боковые частоты в этих случаях отсутствуют.

Несущие и боковые частоты измерены по спектрам мощности в режиме "измерение курсором" (Cursor Measurements) с точностью до 1 Гц. Следует оговориться, что хотя анализаторы спектра обладают дискретной разрешающей способностью, ограниченной числом точек быстрого преобразования Фурье (FFT size), специализированные компьютерные программы, в том числе и программа SpectraLab, производят операцию интерполяции между двумя соседними точками, вычисляя частоту с точность до 1 Гц.

В нашей работе при анализе спектра сигнала общими для всех случаев были следующие установки программы SpectraLab: окно сглаживания Hamming; перекрывание по частотной оси 75%. Чтобы получить оптимальную разрешающую способности по частоте, число точек быстрого преобразования Фурье подбирались индивидуально для каждого образца: M. sibirica 512 точек для обоих случаев, M. menzbieri 1024 точек, M. caudata 2048 точек для образца с амплитудной модуляцией (рис. 4) и 1024 точки для образца без амплитудной модуляции (рис. 5). Обоснование выбора числа точек быстрого преобразования Фурье подробно обсуждается в работе Дардена с соавт. (Darden et al, 2003).

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Причиной образования боковых частот является суперпозиция несущей частоты сигнала с частотой AM (Магнус, 1982). Действительно, как будет показано ниже, если сигнал модулирован, то в его спектре

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком