Временная структура акустического шума зимующих пчел

Передача информации (коммуникация) внутри семьи осуществляется с помощью самых разнообразных сигналов: химических, электрических, акустических, тактильных, оптических. Однако наибольшей оперативностью обладает звук. Продолжительность звуковых сигналов пчелы могут точно контролировать, причем за самые короткие интервалы времени. Звук для них чрезвычайно экономичен с энергетической точки зрения, так как легко совмещается с другими видами коммуникаций, поэтому любые изменения состояния семьи, связанные с внешними воздействиями или внутренними биологическими процессами, отражаются на характере его генерации (Е.К.Еськов,1969, 1977, 1979).

В настоящей работе предлагается метод, позволяющий выделить из акустического шума (фона) пчелиной семьи устойчивые информационные признаки и провести по ним надежную идентификацию состояния зимующих пчел.

Скоординированная акустическая коммуникация отдельных групп пчел, выполняющих различные функции, способствует распространению информации и обмену ею между особями, что позволяет семье существовать как единый организм. По-видимому, «способность слышать» у пчел отнюдь не ограничивается восприятием только звуковых волн сжатия, передаваемых по воздуху. Пчелы снабжены механорецепторами, способными регистрировать вибрации субстрата (Е.К.Еськов, 1972; Barth, 1986). Рассматриваемые ниже сигналы традиционно обозначаются как звуковые, так как в их состав входит составляющая, которую может слышать человеческое ухо и может быть записана с помощью микрофона для дальнейшего изучения.

Суммарный акустический шум, который генерируют отдельные особи, складывается из очень многих составляющих. Их интенсивность, временная и частотная структура зависят от физиологического состояния пчел. В результате наложения собственных колебаний (микровибраций) торакса и взмахов крыльев отдельных особей с меняющейся во времени амплитудой и различными периодами, а также происходящей между ними интерференции суммарный фон и его спектр получаются нестационарными. Из них очень сложно выделить устойчивые информативные признаки, по которым можно было бы определить состояние семей. Представление акустического шума пчел в качестве стационарного квазидетерминированного процесса позволяет лишь выделить некоторые характерные частотные области.

Интенсивные составляющие звукового фона семьи находятся в диапазоне 100–600 Гц. Его порождают звуки, возникающие при вентилировании улья, работе пчел по обогреву гнезда и при активизации пчел, связанной с различными возбуждениями (Е.К.Еськов,1979). Однако наличие корреляции звуков отдельных пчел с шумом семьи и нестационарность самого шума не позволяют дифференцировать физиологическое состояние пчел по частотно-амплитудно-временному признаку.

Временная структура акустического шума имеет сложный вид, что существенно ограничивает выделение из него устойчивых информационных признаков (рис.1). Наиболее простой вид, близкий к синусоиде с меняющейся по времени амплитудой, имеют звуки отдельных вентилирующих пчел. Этот случай можно рассматривать как квазидетерминированный случайный процесс, зашумленный с помехой с математическим ожиданием, равным нулю. Поэтому флуктуации помех не будут оказывать статистическое влияние на значения оценок Фурье. В частотном спектре такого сигнала можно выделить два характерных участка с частотами 200–225 и 350–400 Гц (рис. 2, б). В других же случаях приближение к гармонической аппроксимации малоэффективно (рис. 2, а, в, г).

Перспективным представляется подход структурного моделирования. Математический метод должен выявлять и классифицировать внутреннюю структуру сравнительно коротких фрагментов, несущих информацию об исследуемом акустическом процессе. В зависимости от выбранного алгоритма выделения фрагментов можно определить участки, имеющие одинаковую структуру или, наоборот, участки с резкими особенностями.

Фоновые участки шума имеют одинаковую структуру и не содержат звуков отдельных пчел, то есть локальных участков с резкими и нехарактерными особенностями. Составленные таким образом фрагменты в дальнейшем используют для идентификации множества физиологических состояний семьи и позволяют определить ее коллективный и статистически однородный акустический портрет.

Основная идея предлагаемого метода связана с выделением статистически однородных (наиболее сильно коррелированных) и часто повторяющихся фрагментов акустического шума, которые представляют истинный фон для данного распознаваемого физиологического состояния пчел.

Предлагаемый подход к анализу акустических шумов пчел включает в себя три этапа.

Продолжение ►

В.А.ТОБОЕВ

Чувашский государственный университет

«

• 1
• 2
• 3
• 4
• 5

»