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).

перейти к началу страницы