Новости науки17.11.01. Пение птиц - возможно ль алгеброй гармонию поверить?
Пение птиц привлекает не только романтиков и любителей природы,
но и ученых. Перед последними оно ставит множество разнообразных задач, простейшие из
которых - изучение спектрального состава песен, выделение простейших составляющих (слогов),
исследование структуры органов образования звука - к настояшему времени можно считать
решенными. Приходит черед более сложных задач, таких, как исследование связанной с пением
активности нервной системы (как мозг птицы управляет процессом пения; как и под влиянием
каких причин формируется умение петь). Однако для начала необходимо разобраться с деталями
физического механизма генерации звука. Группа американских и аргентинских ученых предложила
простую физическую модель, описывающую механизм формирования песен канарейки.
Рис.1 . a - нижняя гортань певчей птицы, губы обозначены квадратной
рамкой; b - изменения формы губ в течении одного цикла осцилляций.
Песни певчих птиц представляют собой достаточно сложный"язык" - в них можно выделить
несколько десятков составных элементов,"слогов", длительностью от 15 до 300 мс. В общих чертах
механизм генерации звука у птиц известен - имеющиеся экспериментальные данные
свидетельствуют, что звук формируется в нижней гортани певчих птиц (Рис.1a) в результате
колебаний губ, которые регулируют поток воздуха из бронхов в трахею. Задача, которую
поставила перед собой объединенная группа исследователей из Нью-Йорка и Буэнос Айреса [1],
состояла в создании простой физической модели, позволяющей в общих чертах воспроизводить как
отдельные слоги, так целые песни канарейки (Serinus canaria). Исследователи моделировали форму голосообразующих органов канареек с помощью простых
геометрических конструкций (рассматриваемая форма внутренних губ и ее изменения в течении
одного цикла осцилляций показаны на на Рис. 1). В рамках модели предполагалось, что управление
процессом генерации звука у птиц осуществляется двумя основными факторами - бронхиальным
давлением P и упругостью губ K (поведение этой величины описывает изменение упругости мышц
голосовой складки, которая определяет радиальную жесткость губ, в процессе генерации звука).
Когда бронхиальное давление превышает пороговое значение, в системе возникают автоколебания;
возникающие звуковые волны распространяются через голосовой тракт (трахея и клюв, в рамках
модели - две трубы различной длины и диаметра) и акустические свойства голосового тракта
определяют окончательные характеристики птичьей мелодии. Ученые создавали"модельные
песни" путем изменения управляющих параметров; оказалось, что в случае, когда K и P
осциллируют с медленно меняющимися частотами и относительной фазой, удается получать
⌠песни", которые по своим основным характеристикам (спектральному составу и временным
параметрам) воспроизводят реальные птичьи мелодии (Рис.2). Хотя и сложно представить себе, как
звучали модельные напевы, но, обладая минимальной фантазией, не составляет труда
предположить, что в обозримом будущем помимо роботов-слуг и роботов-собак на рынке появятся
роботы-птицы, которые в заданный час будут тешить любителей романтики чредой дивных звуков.
Рис.2. Синтетичекий сигнал (в середине), полученный в результате
медленной модуляции параметров P и K (вверху), в сравнении с записью
песни реальной канарейки. Можно видеть, что спектральный диапазон,
а также длительность и последовательность отдельных слогов искусственной
и естественной птичьей песни в общих чертах сходятся.
1. Tim Gardner, G.Cecchi, M.Magnasco et al. Phys.Rev.Lett. v.87,
208101 (2001).
|