【Ann To】生物聲學:常用眼睛看聲音的學科

當筆者還在等待大家參與噪鵑和珠頸斑鳩的小調查的同時,先看看其他有趣的方面,亦藉此時間讓大家初步了解生物聲學(bioacoustics)。

生物聲學故名思義,是研究有關生物所產生的聲音(biotic sound)。另外有由非生物所至的聲音,包括自然的風聲、水聲、樹木隨風搖擺而成的聲音等等;亦有人為噪音(anthropogenic noise),例如是車聲及機械聲。而聲景(soundscape)便是包括了當刻的全部聲音,不論聲音本身是如何產生的。

要談論生物聲學,就先要認識頻譜圖(spectrogram)及波譜圖(waveform)。它們都是認識及研究生物聲學的大門,是把聲音視覺化後的圖像,從而得知聲音的頻率及音量。頻譜圖是用於查看聲音頻率(frequency),而波譜圖則是振幅(amplitude),兩者都是會隨時間改變。當振幅越小,在波譜圖看到的訊號就會越弱。

人可以聽到的頻率主要為20 – 20000 Hz,會因性別及年齡而略有不同。不過很多動物可以使用此段以外的頻率。在頻譜圖協助下,而錄音機可以收錄的更高頻率的話,就可以讓我們看見聽不到的聲音(非靈異)。

當多過一種聲音在同一時間出現,這便是掩蔽效應(masking effect)。不論它們的頻率重疊與否,已經構成掩蔽效應,只是頻率亦重疊的話會更難分辨到聲音。舉個例子,你可以聽到車輛行駛的聲音,同時亦聽到雀鳥或是蟬鳴,某些情況可能會較困難去集中聆聽其中一種聲音,但你依然可以清楚分辨出是兩種不同的聲音。

相信大家曾經在很嘈雜的環境說話,但你有否留意到自己是怎樣做去令聆聽的一方聽到你的說話?為在掩蔽效應下用聲音溝通,動物會改變自身聲音的頻率、聲量,或是在其他時間鳴叫,以確保自己的聲音可以被另一方聽到,這個現象稱為隆巴德效應(Lombard effect)。大量的研究已證實不同的動物均會有這個反應,包括人、貓、海洋哺乳類、魚類、鳥類、昆蟲等等。動物在人為噪音下如何溝通及有什麼影響,目前仍然是動物行為學及城市生態學的熱門課題。當然聲音本身可以改變的幅度受限於自身的發聲部份,例如我們人類都不可能突然使用超聲波說話。

不過在更深入探討生物聲學當中各項課題之前,筆者先以其中一小段在香港錄得的聲景作為切入,盡量以有趣的例子及方式與大家一起了解此沉悶的範疇。

此段錄音是在香港某有保育工作的農地錄得,都是昆蟲所發出的聲音。上面提到掩蔽效應,大家可以在這段聲景中體驗到。如果單單只聽聲音而不把其圖像化,會很難清楚地分辨出各種聲音。你可能可以輕易地聽到當中有三至四種蟲鳴,卻很難清楚地說出是至少八種蟲同時在鳴叫。在此使用頻譜圖再配合生物聲學軟件抽出聲音,就可以清楚看到和聽到每一種蟲鳴,以及同時「嘈親大家對耳」和「嘈親大家對眼」。

這段短短的錄音還有另一個有趣的現象,你可以發現到每一種昆蟲都有自己獨特的頻率,就好像夾心餅一樣分層互不侵犯。之前有提到掩蔽效應及隆巴德效應,這個使用頻率上的分層現象便是生物在競爭、演化、淘汰等的作用下而形成的混沌結果。要再次指出的是,動物亦可以選擇其他時間鳴叫,以避免自己的聲音被掩蔽。例如這段錄音的同一地點及同一個晚上,但在不同時間錄音的頻譜圖都會有不同。要留意的是,當中有可能有聲音被使用同頻率但聲量較大的聲音所掩蔽,因此需要透過查看全段錄音不同的時間去確認,絕對不能斷章取義。(Figure 1: 在同一個晚上但不同時間的頻譜圖。)

算是題外話,筆者想以著名作品《寂靜的春天》(Silent Spring)作為此博客文的完結。不知道在大家聆聽上方的錄音時,覺得很悅耳還是吵耳?不論你的答案是什麼也好,你願意試想像這個地方的生物聲音,包括蟲鳴及鳥語等等全部都突然消失了,之後不再出現,會有怎樣的感覺?

參考:

  1. Bradbury JW & Vehrencamp SL. 2011. Principles of Animal Communication. (Second Edition). Sinauer Associates Inc., Sunderland, USA.
  2. Brumm H & Slabbekoorn H. 2005. Acoustic communication in noise. Advances in the Study of Behavior, 35, 151–209.
  3. Roca IT, Desrochers L, Giacomazzo M, Bartolo A, Bolduc P, Deschesnes R, Martin CA, Rainville V, Rheault G, Proulx R. 2016. Shifting song frequencies in response to anthropogenic noise: a meta-analysis on birds and anurans. Behavioral Ecology, 27, 1269–1274.
  4. Shannon G, McKenna MF, Angeloni LM, Crooks KR, Fristrup KM, Brown E, Warner KA, Nelson MD, White C, Briggs J, McFarland S, Wittemyer G. 2016. A synthesis of two decades of research documenting the effects of noise on wildlife. Biological Reviews, 91, 982-1005.
  5. Slabbekoorn H. 2013. Songs of the city: noise-dependent spectral plasticity in the acoustic phenotype of urban birds. Animal Behaviour, 85, 1089-1099.

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