Як вчені вимірюють швидкість, з якою повторюються пісні горбатого кита?

Горбаті кити створюють складні пісні, що складаються з повторюваних звуків, фраз і довших послідовностей. Деякі частини пісні можуть повторюватися кілька разів, утворюючи шаблони, які дослідники можуть вимірювати та порівнювати.

Але як вчені визначають, як швидко горбатий кит повторює певний звук або фразу Вони не можуть покладатися на загальне враження, що кит звучить швидко чи повільно. Натомість дослідники аналізують підводні записи, ідентифікують повторювані голосові одиниці, вимірюють час між ними та обчислюють частоту повторення, використовуючи узгоджені методи.

Розуміння цих вимірювань допомагає вченим точніше описати голосову поведінку кита. Це також надає ще один спосіб дослідити звуки, які видають горбаті кити під час їх сезонних візитів до затоки Самана в Домініканській Республіці.

Що таке частота повторення пісні кита?

Частота повторення описує, як часто певна подія відбувається протягом певного періоду. У дослідженні горбатих китів подією може бути створення впізнаваного звуку, голосової одиниці або повної фрази.

Вчені повинні визначити, що вони підраховують, перш ніж обчислювати швидкість. Підрахунок окремих звуків відрізняється від підрахунку повних фраз або цілої послідовності пісень.

Наприклад, припустімо, що дослідники ідентифікують 12 екземплярів певної вокальної одиниці під час запису тривалістю 60 секунд. Спостережувана частота:

12 повторень ÷ 60 секунд = 0,2 повторення на секунду.

Це еквівалентно 12 повторенням на хвилину, якщо інтервал підрахунку та визначення повторення залишаються незмінними.

Це ілюстративний розрахунок, а не виміряна частота повторень для горбатих китів у Самані. Bay.

Чітко визначена швидкість дозволяє дослідникам порівнювати записи, не покладаючись на суб’єктивні описи.

1. Запис пісень китів за допомогою гідрофонів

Перший крок — отримати акустичний запис, який фіксує цікаві вокальні патерни.

Науковці використовують гідрофони, які є підводними мікрофонами, призначеними для запису звуків, що поширюються крізь воду. Залежно від дослідження обладнання може бути розгорнуто з дослідницьких суден, встановлено в фіксованих місцях або використано в інших відповідних конфігураціях.

Метод запису впливає на якість отриманих даних. Дослідники повинні враховувати фоновий шум, відстань між китом і гідрофоном, тривалість запису та ймовірність того, що кілька китів співають одночасно.

Запис із частими перервами може ускладнити точний підрахунок повторів. Подібним чином вокалізація, що накладається, може призвести до того, що дослідники помилково сприймуть звуки різних співаків за повторення одного кита.

Тому вчені оцінюють якість запису, перш ніж вибрати зразок для детального аналізу.

2. Ідентифікація звуків, які повторюються

Перш ніж підраховувати повтори, дослідники повинні визначити, які звуки належать до зразка, що вивчається.

Пісні горбатого кита містять різні акустичні одиниці, організовані у фрази та довші послідовності. Дослідник може зосередитися на одній впізнаваній одиниці, конкретній фразі або повторенні більшої послідовності.

Це різні рівні аналізу. Короткий звук може повторюватися багато разів у фразі, тоді як повна фраза може повторюватися рідше.

Науковці використовують аудіювання, спектрограми та встановлені критерії маркування, щоб визначити цільовий шаблон. Спектрограма показує, як частота звуку змінюється з часом, і може допомогти відрізнити одну голосову одиницю від іншої.

Послідовна ідентифікація є важливою. Якщо дослідники вважають дещо різні звуки за один і той же блок в одному записі, але розглядають їх як окремі одиниці в іншому, отримані показники можуть бути непорівнянними.

3. Вимірювання часу між повтореннями

Один із простих методів полягає у вимірюванні інтервалу між послідовними повтореннями тієї самої впізнаваної події.

Припустімо, що одиниця починається о 5 секунді, а наступна поява починається о 9 секунді. Інтервал між їх початковим часом становить 4 секунди.

Дослідники можуть повторити це вимірювання в записі, щоб визначити, чи інтервали залишаються подібними чи змінюються.

Для повторюваних подій із приблизно регулярним часом частоту можна оцінити за середнім інтервалом:

Частота повторення = 1 ÷ середній інтервал у секундах.

Наприклад, якщо середній інтервал між послідовними повтореннями становить 5 секунд, відповідна частота становить 0,2 повторення на секунду, або 12 повторень на хвилину.

Цей метод працює найкраще, коли цільові події чітко визначено, а інтервал вимірюється послідовно. Якщо повторення є нерегулярними, дослідники повинні повідомити про варіацію, а не натякати, що співак дотримується абсолютно регулярного ритму.

4. Підрахунок повторів протягом фіксованого вікна часу

Інший метод полягає в підрахунку кількості повторень протягом визначеного періоду.

Дослідники можуть вибрати 30- або 60-секундну вибірку та підрахувати кожне повторення, яке відповідає їхнім критеріям. Потім вони можуть розділити кількість на довжину вікна спостереження.

Наприклад, якщо чітко ідентифікована одиниця повторюється 15 разів протягом 30 секунд, спостережувана частота становить 30 повторень на хвилину.

Вибране вікно має відповідати поведінці, що вимірюється. Дуже короткий зразок може не відображати ширшу схему співу, тоді як дуже довгий зразок може включати зміни в структурі фрази або подовжені паузи.

Вчені також повинні визначити, як обробляти події, які починаються до вікна спостереження або закінчуються після нього. Послідовні правила зменшують помилки підрахунку та покращують порівняння між записами.

5. Використання спектрограм для визначення повторюваних одиниць

Спектрограми допомагають дослідникам візуалізувати повторювані акустичні візерунки та визначити їх положення в записі.

Спектрограма зазвичай показує час по горизонтальній осі та частоту по вертикальній осі. Інтенсивність записаного сигналу представлена ​​змінами візуальної сили або кольору.

Коли впізнаваний звук повторюється, подібні форми можуть з’являтися в різних точках уздовж осі часу. Дослідники можуть позначити ці випадки та виміряти інтервали між ними.

Однак не кожен візуально подібний шаблон представляє ту саму вокальну одиницю. Різні звуки можуть мати спільні акустичні характеристики, а шум запису може приховати важливі деталі.

Тому вчені поєднують перевірку спектрограми з прослуховуванням і чітко визначеними критеріями класифікації. Візуальне відображення підтримує аналіз, але не позбавляє від необхідності ретельної інтерпретації.

6. Відрізнення повторення одиниці від повторення фрази

Головним джерелом плутанини є різниця між повторюваною вокальною одиницею та повторюваною фразою.

Фраза може містити кілька окремих звуків. Ці звуки можуть повторюватися у фразі, тоді як сама фраза повторюється з довшими інтервалами.

Розглянемо гіпотетичну послідовність, у якій кит видає чотири короткі звуки, після яких слід пауза, а потім повторює ту саму послідовність. Дослідники могли виміряти принаймні три різні речі:

• Швидкість, з якою виникають окремі одиниці.
• Час між послідовними початками фраз.
• Кількість повних фраз, створених за хвилину.

Усі три вимірювання можуть бути корисними, але вони відповідають на різні запитання.

Для змістовного порівняння, стаття або звіт про дослідження має пояснювати, який рівень повторення вимірюється. Без цього визначення дві зареєстровані частоти можуть здаватися суперечливими, навіть якщо вони описують різні частини пісні.

7. Облік пауз і нерегулярного часу

Пісні горбатого кита не обов’язково дотримуються абсолютно однакового розкладу. Співак може кілька разів повторити одиницю, зробити паузу, а потім продовжити іншу фразу.

Ці паузи впливають на те, як дослідники обчислюють частоту повторення.

Частість, обчислена для всього запису, включає періоди, коли цільова одиниця не виробляється. Швидкість, розрахована лише під час активних послідовностей, вимірює шаблон по-різному.

Жоден підхід не є автоматично правильним для кожного запитання дослідження. Відповідний метод залежить від того, чи хочуть вчені описати загальний результат протягом періоду спостереження чи темп повторення під час активного створення одиниці.

Дослідники повинні документувати, як обробляються паузи, щоб читачі могли точно інтерпретувати результати.

Їм також слід уникати припущення, що пауза означає навмисну ​​зміну в спілкуванні. Це може бути частина звичайної структури пісні, тимчасова перерва у співі або інтервал, протягом якого цільовий звук не було виявлено.

8. Використання програмного забезпечення для покращення узгодженості вимірювань

Програмне забезпечення для акустичного аналізу може допомогти вченим перевіряти записи, відображати форми хвиль, генерувати спектрограми, позначати вокальні події та обчислювати інтервали.

Для довгих записів автоматизовані інструменти виявлення можуть допомогти визначити можливі випадки появи цільової одиниці. Ці системи можуть зменшити кількість матеріалів, які дослідникам потрібно перевіряти вручну.

Однак автоматичне виявлення може містити помилки. Фоновий шум можна прийняти за звук кита, а вокалізація, яка накладається, може стати причиною пропуску справжніх подій.

Тому дослідникам слід порівняти автоматичні результати з оригінальними записами та оцінити, наскільки добре працює метод виявлення.

Послідовні налаштування програмного забезпечення та задокументовані процедури вимірювання також допомагають переконатися, що відмінності між зразками не спричинені лише змінами в аналітичному процесі.

9. Порівняння частоти повторення між записами

Після обчислення частоти повторення дослідники можуть порівнювати записи, зібрані в різний час або за різних умов.

Вони можуть запитати, чи певний блок повторюється з однаковою частотою протягом кількох сеансів, чи спостережувана частота змінюється під час запису.

Для порівняння потрібні послідовні визначення цільової події, вікна спостереження та лікування пауз. Дослідники також повинні враховувати відмінності в якості запису та можливість того, що різні співаки зробили внесок у семпли.

Якщо записи походять від різних китів, різницю в частоті не можна автоматично пов’язувати з індивідуальними перевагами чи комунікаційною стратегією. Інші фактори можуть впливати на шаблон.

Звукове порівняння описує, що показують дані; пояснення, чому виникає різниця, потребує додаткових доказів.

10. Розуміння похибки вимірювання

Жоден метод вимірювання не вільний від невизначеності.

Звук може бути важко відрізнити від фонового шуму. Точний початок вокальної одиниці може бути неоднозначним, або дві одиниці можуть збігатися. Різні дослідники також можуть не погоджуватися щодо того, як складну фразу слід розділити на менші компоненти.

Науковці можуть зменшити ці проблеми, встановлюючи чіткі визначення, використовуючи повторні вимірювання, документуючи невизначені події та незалежно перевіряючи вибірку записів.

Якщо дані не підтверджують точний підрахунок, дослідники повинні визнати невизначеність, а не повідомляти надто точний показник.

Вони слід також відрізняти точність розрахунку від сили біологічного висновку. Швидкість можна точно розрахувати на основі запису, не розкриваючи, чому кит створює таку схему.

11. Чи може частота повторення пояснити, що спілкується кит?

Частота повторення описує час голосової моделі, але сама по собі не розкриває мети цієї моделі.

Різниця в частоті може бути пов’язана зі структурою пісні, етапом співу або іншими аспектами голосової поведінки. Встановлення функціонального пояснення потребує додаткових доказів.

Вченим, можливо, доведеться поєднати акустичний аналіз із спостереженнями за поведінкою, соціальним контекстом і змінами з часом.

Було б передчасно припускати, що швидша частота повторень завжди вказує на хвилювання, агресію чи конкретне повідомлення. Такі інтерпретації вимагають доказів, які пов’язують виміряну акустичну характеристику з запропонованим значенням.

Ретельне дослідження відокремлює вимірні звукові характеристики від гіпотез щодо їх функції.

12. Вивчення повторення співу китів у затоці Самана

Затока Самана є визнаним сезонним місцем для спостереження за мігруючими горбатими китами. Дослідницький проект у регіоні міг би досліджувати частоту повторення, збираючи відповідні підводні записи протягом задокументованих періодів спостереження.

Дослідники могли б визначити повторювані вокальні одиниці, виміряти їх хронометраж, обчислити частоту за визначеними вікнами та порівняти результати між записами.

Їм потрібно було б врахувати шум човна, співаків, що перекриваються, неповні записи та невизначеність щодо того, який кит видав звук. Довші записи та повторне відбирання зразків можуть допомогти визначити, чи спостережуваний шаблон є послідовним чи обмежений одним сеансом.

Будь-які твердження щодо локальної частоти повторення мають ґрунтуватися на перевірених акустичних даних. Без таких даних вчені та видавці не повинні представляти гіпотетичні вимірювання як встановлені висновки про затоку Самана.

Для відвідувачів ширший урок полягає в тому, що пісні китів містять вимірювані часові закономірності, які вчені можуть вивчати, навіть коли вокальна поведінка невидима з поверхні.

Висновок

Вчені вимірюють частоту повторення пісень горбатого кита, визначаючи повторювані голосові одиниці або фрази, підраховуючи їх повторення та вимірюючи час між ними або через фіксоване вікно спостереження.

Спектрограми та акустичне програмне забезпечення допомагають знайти повторювані шаблони, тоді як послідовні визначення та перевірки якості зменшують помилки вимірювань. Дослідники також повинні відрізнити повторення одиниць від повторення фраз і пояснити, як обробляються паузи та проміжки в записі.

Ці вимірювання дають корисні описи вокальної поведінки китів, але сама по собі частота повторення не може визначити значення чи мету пісні.

Для тих, хто цікавиться спостереженням за китами Самана, вивчення частоти повторення відкриває інший вимір спілкування горбатих китів і показує, як може змінитися ретельний акустичний аналіз підводні звуки в корисні наукові докази.