| |||
|
Týdeník věnovaný aktualitám a novinkám z fyziky a astronomie. | |||
|
Ako môžu určiť smer prichádzajúceho zvuku živočíchy s malou hlavou?
Vladimír Scholtz
Určiť smer, odkiaľ prichádza zvuk, patrí k základným schopnostiam prežitia. U človeka je táto schopnosť dosiahnutá použitím dvoch uší, ktoré umožňujú niekoľko mechanizmov na lokalizáciu smeru prichádzajúceho zvuku. Základné mechanizmy pre lokalizáciu zdroja vo vodorovnej rovine sú dva: interaurálny časový rozdiel a interaurálny rozdiel intenzít signálu.
Interaurálny časový rozdiel zaznamenáva časový rozdiel prichádzajúceho signálu medzi ľavým a pravým uchom, a to analýzou fázového rozdielu oboch signálov počas celej doby trvania signálu alebo analýzou časového rozdielu medzi nástupom jednotlivých signálov. Analýza fázového posunutia je účinná, pokiaľ je polovica vlnovej dĺžky zvuku väčšia ako vzájomná vzdialenosť uší, pre kratšie vlnové dĺžky už interpretácia nie je jednoznačná. Pre príliš veľké vlnové dĺžky je zase vzájomný fázový posun signálov tak malý, že metóda prestáva fungovať. Pre vyššie frekvencieFrekvence – značíme f, počet opakování sledovaného děje za časovou jednotku. V SI měříme frekvenci v hertzích (Hz, počet dějů za sekundu). Lze ji vypočítat jako převrácenou hodnotu periody děje: f = 1/T. Často se používá také úhlová frekvence, kterou značíme ω. Jde o časovou změnu fáze vlnění. Pro obě frekvence platí převodní vztah ω = 2πf. je možné použiť analýzu časového rozdielu začiatku signálov alebo rozdiel v intenzite signálu. S rastúcou frekvenciou totiž začína byť zvuk účinne tlmený samotnou hlavou, a preto je intenzita signálu vo vzdialenejšom uchu dostatočne nižšia, aby bol tento rozdiel použiteľný pre analýzu.
U človeka nie je pre najnižšie počuteľné frekvencie možná analýza, nad 80 Hz začína fungovať fázové posunutie, ktoré je najúčinnejšie medzi 200 až 800 Hz a postupne zaniká až do 1 600 Hz, keď už je hlava väčšia ako polovica vlnovej dĺžky. Pre vyššie frekvencie už funguje iba analýza začiatku signálu a rozdielu v jeho intenzite.
Uvedené frekvencie ale vyplývajú z rozmerov ľudskej hlavy. Jej rozmer vyhovuje pre analýzu najbežnejších zvukov v prírode, ktoré potrebujeme lokalizovať pre prežitie – blížiaci sa predátor, padajúci kameň a pod. Na analýzu zvukov s obdobnými frekvenciami sa ale museli prispôsobiť aj ostatné živočíchy, napr. žaby, jaštery alebo vtáky, ktorých rozmery hlavy sú obyčajne rádovo menšie a na smerovú analýzu vhodných frekvencií sú príliš malé. Musia preto používať iné metódy. Spomínané druhy živočíchov (celkovo asi 15 000) si na to vytvorili veľmi účinný systém vzduchom vyplnenej dutiny, ktorá prepája oba ušné bubienky (tzv. vnútorne prepojené uši). Na rozdiel od cicavcov, nemajú ušné bubienky oddelené kosťami od ústnej dutiny. Najnovšia štúdia [1] ukazuje model fungovania smerovej analýzy u gekónov a varanov ako zástupcov živočíchov s vnútorne prepojenými ušami.
Obr. 1. Anatómia uší gekóna Gekko gecko. A – hlava gekóna, šípka ukazuje ušní bubienok, na výreze je detailný pohľad na ľavý ušný bubienok a na ten istý bubienok osvetlený laserovým ukazovátkom cez pravý bubienok. B – priečny rez hlavou gekóna v mieste ušného bubienka. C – model ušných bubienkov a prepájajúcej ústnej dutiny ako rezonančnej dutiny. D – odliatok ústnej dutiny s naznačenou polohou ušných bubienkov. Prevzaté z [2].
V dutine spájajúcej oba ušné bubienky totiž dochádza k vzniku stojatého vlnenia, ktoré je schopné v niektorých prípadoch jemné rozdiely vo fázovom posune aj v intenzite signálu zosilniť natoľko, aby boli živočíchom analyzovateľné. Ako je vidieť na Obr. 2, je rezonanciou a stojatým vlnením v dutine medzi ušnými bubienkami gekóna aj varana niekoľkokrát zosilnený časový rozdiel medzi signálmi pre frekvencie nižšie ako je rezonančná frekvencia dutiny. Nad touto frekvenciou sa citlivosť prudko znižuje, začína sa ale prejavovať rozdiel v intenzite signálov medzi bubienkami. Bez rezonancie by mal byť tento rozdiel prakticky nulový, pokiaľ ale vezmeme do úvahy rezonančnú trubicu, môže byť rozdiel intenzít až niekoľko dB. Ako ukazuje Obr. 3, je rozdiel intenzít závislý na smere prichádzajúceho signálu a merateľný hlavne pre rezonančnú frekvenciu dutiny a vyššie.
Obr. 2. Zosilnenie časového rozdielu signálu medzi bubienkami ako pomer vnímaného vnútorného rozdielu medzi bubienkami (iTD – internal time difference) a skutočného vonkajšieho rozdielu (ITD – interaural time difference) ako aj skutočná hodnota iTD pre signály z rôznych smerov pre gekóna aj varana. Pre gekóna je časový rozdiel zosilnený až 4× pre frekvencie do približne 1 kHz, čo je rezonančná frekvencia dutiny. Pre varana je toto zosilnenie približne 10×, k divergencii hodnôt v okolí rezonančnej frekvencie 400 Hz dochádza z dôvodu nedokonalosti modelu.
Obr. 3. Vnímaný rozdiel intenzít medzi oboma bubienkami (iLD – internal level difference) v závislosti na frekvencii a smere dopadajúceho signálu pre gekóna aj varana. iLD je najúčinnejší v okolí rezonančnej frekvencie dutiny a pre vyššie frekvencie.
Odkazy
- A. P. Vedurmudi et al.: How Internally Coupled Ears Generate Temporal and Amplitude Cues for Sound Localization; Physical Review Letters 116/2 (2016) 028101
- Jakob Christensen-Dalsgaard, Tang Yezhong, E. Carr Catherine: Binaural processing by the gecko auditory periphery; Journal of neurophysiology 105/5 (2011) 1992–2004
