Моделирование передачи звуковых сигналов в природоохранной биологии и его применение

Среди факторов, связанных с увеличением трафика, шумовое загрязнение является одним из важнейших факторов, которые могут объяснить снижение численности и исчезновение отдельных видов дикой фауны вдоль автомагистралей. Важным побочным эффектом шума дорожного движения является заглушение акустических сигналов. У многих биологических видов особи используют голосовые сигналы для поиска партнеров, устрашения соперников или предостережения от хищников.
Из-за заглушения звуковых сигналов окружающим шумом, расстояние, на котором сигнал может быть принят, уменьшается, что может привести к полному разрыву связей между особями одного вида.
Цель исследования - изучение влияния шума транспортных потоков, следующих по новой автомагистрали, которую планируют завершить в 2025 году которое, вероятно, окажет пагубное воздействие на акустические коммуникации редкой птицы из типа хордовых, Евразийской авдотки.

Методы исследования
Исследование вида птиц и местности
Евразийская авдотка является большой болотной птицей. В Центральной Европе она мигрирует на дальние расстояния и обитает в сухих и открытых местах. В Европе авдотка классифицируется как находящийся под угрозой исчезновения вид со снижающейся численностью популяции. Авдотки в основном ведут ночной образ жизни, и их межвидовое взаимодействие сильно зависит от акустических сигналов.
Известно, что авдотки избегают близости дорог и автострад, но неизвестно, будет ли свет или шум от проезжающих машин беспокоить птиц. Являясь местом гнездования 6 пар, исследуемый район является второй по значимости зоной размножения авдоток в Австрии. Область площадью 1500 га расположена к северу от деревни Маркграфнойзидль. Маршрут строящейся автомагистрали пересекает северную часть района гнездования. В этой зоне расположены карьеры, сельскохозяйственные земли и прочие антропогенно-модифицированные территории. Птицы в этих местах издают акустические сигналы как со дна карьеров, так и с верхушек отвалов выработанных пород на краю карьеров. Южная и западная границы района гнездования проходят по дорогам местного значения.

2. Допущения при расчете зоны коммуникаций
Окружающий шум
Обычно шум дорожного движения имеет большую низкочастотную составляющую с устойчивым снижением спектральной энергии на уровне выше 2 кГц. Различия в спектральном составе транспортного шума могут быть обусловлены изменениями размера или типа грузовых и других транспортных средств, а также типом дорожного покрытия. Проектные показатели планируемой автомагистрали определяют недельный трафик в 1250 транспортных средств/час по дороге с покрытием из асфальтовой мастики с каменной крошкой.
В начале исследования был рассчитан прогнозируемый шум дорожного движения в течение основного периода акустических коммуникаций авдоток с использованием взвешенного уровня звукового давления. Пространственно-временное распределение транспортного шума, его передача и полученные карты шума были рассчитаны в соответствии с Австрийской директивой по дорожному шуму с использованием цифровой модели рельефа. Затем уровни звукового давления были преобразованы в уровни спектрального шума (т. е. SPL, измеренный в Гц), которые были использованы для дальнейшего анализа.

Карты шумового загрязнения и маскирующие эффекты были рассчитаны для шести различных случаев.
1) Текущая ситуация в 2008 году до начала строительства автомагистрали и при нынешнем объеме дорожного движения на местных дорогах к югу и западу от района размножения.
2) Прогнозируемая ситуация в 2025 году, если не будет построено ни одной автомагистрали, что объясняет прогнозируемое увеличение интенсивности движения на более мелких существующих дорогах.
3) Прогнозируемая ситуация в 2025 году, если автомагистраль будет построена без мер по борьбе с шумом (т. е. 5 м ниже текущего уровня земли и склонов под углом 30%).
4-6) Прогнозируемые ситуации в 2025 году для трех возможных проектов борьбы с шумом: опускание дороги на 5 м ниже уровня земли и строительство крутых земляных бортов с общей высотой 5, 8 или 10 м, измеренной от дорожного покрытия.

Уровень звукового воздействия и частота звуков птиц
Измерение амплитуды птичьего пения у диких птиц часто затруднено и поэтому встречается довольно редко. Здесь мы попытались оценить уровень звукового воздействия диких авдоток и особей, заходящих в открытые вольеры венского зоопарка. В зоопарке амплитуду звукового сигнала измеряли с помощью шумомера. Однако птицы оказались очень пугливы, что затруднило их приближение достаточно близко для проведения надежных измерений, поэтому для записи сигналов был использован микрофон радиопередатчика. Во время записи птиц наблюдения проводились с помощью камер ночного видения, а также определялось место, где птицы издавали звук. Если птицы не издавали звук самопроизвольно в непосредственной близости от микрофона, то записанный сигнал авдотки воспроизводился с дистанционно управляемого громкоговорителя. В зоопарке и в полевых условиях птицы издавали звуки как самопроизвольно, так и в качестве реакции на воспроизведение их аудиозаписанных криков. Эти крики относились к двум различным категориям: крики Керли и крики галоп-ритма.
Средняя амплитуда звукового сигнала согласно измерениям составила 103,7 дБ на расстоянии 1 м, при этом не было обнаружено различий в уровне звукового воздействия между двумя типами звуковых сигналов. Это значение было использовано для всех последующих вычислений.

3. Обнаружение звуковых сигналов птиц в условиях шума от транспортных средств
Для того, чтобы вычислить расстояние для обнаружения сигналов, необходимо знать о слуховых способностях птиц в условиях шума. На сегодняшний день слуховые пороги маскирующего шума доступны только для 15 видов птиц. Порог, при котором сигнал обнаруживается в шуме, зависит от SPL сигнала и спектрального уровня маскирующего шума на частоте звукового сигнала. Это отношение сигнала и шума, называемое "критическим отношением", в значительной степени не зависит от общего уровня шума. Насколько нам известно, критические соотношения в маскирующем шуме недоступны для авдоток. Поэтому было использовано значение 24 дБ SPL при 2 кГц, которое является средним значением критических коэффициентов шума.

4. Расчет площадей коммуникаций
Переменные, описанные выше, были использованы для расчета площадей коммуникации авдоток в двух местах в пределах каждой из шести территорий и при трех различных порогах дискриминации. Площади коммуникации были определены как области, где соотношение сигнала и шума выше или равно порогу неразличимости. Для расчета площади мы использовали ячейку размером 5×5 м. Для каждой ячейки размером 25м2 из амплитуды сигнала вычитали спектральный уровень шума, а затем идентифицировали области со значениями, равными или превышающими порог дискриминации 24, 27 или 30 дБ SPL.
5. Оценка эффекта маскирующего влияния шума дорожного движения
Результаты расчетов показывают прогнозируемое воздействие планируемой автомагистрали и возможных мер по снижению шума на коммуникационные зоны отдельных птиц. Оценка результатов была сначала основана на визуальном осмотре карт площадей коммуникации, чтобы оценить, насколько далеко соседние птицы все еще могут быть услышаны в каждом состоянии шумового загрязнения. Поскольку отсутствуют экспериментальные данные о связи между уровнем шума и потерей устойчивости у авдоток, был выбран критерий воздействия, основанный на потере площади коммуникации в результате увеличения шума дорожного движения. Поскольку риск потери одного из двух лучших мест размножения в Австрии для этой исчезающей птицы очень высок, критерий должен быть взят с запасом. Поэтому предполагалось, что средняя потеря более чем 10% площади коммуникации будет достаточной для того, чтобы оказать губительное воздействие на птиц, и должна быть запрещена более эффективными методами борьбы с шумом.