Natáčení zvuků z přírody - díl 4

Chtěl jsem se dozvědět, jak je možné, že netopýr svým ultrazvukovým sonarem 'vidí' tak dokonale. Uvádí se, že netopýr zaregistruje překážky o velikosti desetin milimetru. Jenže je rozdíl mezi samotným zaregistrováním překážky a rozlišením. Pokud budou dvě překážky třeba 10 cm od sebe, bude je netopýr vnímat skutečně jako dvě, nebo jako jednu velkou? Skutečné možnosti netopýřího sonaru znají pouze sami netopýři, já jsem se snažil zjistit jen jeho fyzikální omezení.

V létě jsem se po večerech toulal se speciálně upraveným magnetofonem a natáčel. Zpomalené záznamy jsem poslouchal, vykresloval sonogramy a počítal. Pochopitelně ve svých závěrech nemusím mít úplně pravdu, ale to nechám na posouzení Vám čtenářům.

Na internetu je možné slyšet záznamy z netopýřích detektorů, např. na www.volny.cz/csopschkojh. Zpomalený netopýří výkřik je však možné studovat mnohem detailněji (délka 9kB). Od každého výkřiku lze dodatečně v počítači zobrazit časový průběh, tedy oscilogram (vpravo) a průběh kmitočtu, sonogram (vlevo). Všechny zde uvedené zvukové ukázky byly zpomaleny v poměru 1:20.

Netopýry jsem zkoušel přírodopisně určit porovnáním sonogramů výkřiků se sonogramy uvedenými v atlasu Daniela Horáčka, ale netopýrů s podobným charakterem hlasu je více druhů a v určení bych se mohl mýlit. To přenechám zkušenějším, pokud budou mít zájem se s těmito záznamy zabývat. Kompletní archiv toho, co jsem natočil včetně rad jak netopýry natáčet, je na stránce Českého fonoklubu

Jak dopadá často citované porovnání netopýřího sonaru s radarem? Zanedbáme drobný rozdíl, že u netopýra se jedná o akustické vlny a u radaru o elektromagnetické. To teď není podstatné. Radar vyšle krátký impulz a podle doby, za kterou se vrátí ozvěna, určí vzdálenost cíle. Podobně i netopýr. Vyslaný impulz musí být co nejkratší, závisí na tom přesnost určení času a tedy i rozlišení vzdálenosti. Netopýří výkřik může mít hlasitost až 140 dB a hlasitost ozvěny může být i o 100 dB nižší. Ono se toho od drobného hmyzu moc neodrazí, stejně jako od 100 km vzdáleného letadla v případě radaru. Radar pro vysílání i příjem zpravidla používá společnou anténu a po dobu vysílání se přijímač zatlumuje, aby se nezničil obrovským vysílaným výkonem. I netopýr má ve sluchovém orgánu sval, který po dobu výkřiku sluch zatlumí a chrání jej před přetížením. Pokud radar ani netopýr nemůže během vysílání poslouchat, délkou vyslaného impulzu je daná minimální vzdálenost, na kterou 'vidí'. Například netopýr rezavý s délkou výkřiku okolo 20 ms, pravděpodobně na ukázce (délka 147kB), by neviděl na vzdálenost menší než tři metry a uvážíme-li, že netopýr i jeho drobná kořist se rychle pohybuje a to zpravidla různými směry, asi by toho moc neulovil. Ale o tom zase příště. Někteří netopýři mají délku výkřiku pod 1 ms, takže u nich lze sledování blízkých cílů vysvětlit bez problémů.

Podstatný rozdíl mezi netopýrem a radarem je v určování směru cíle (kořisti). Anténa radaru je úzce směrová a otáčí se. Pokud přijde ozvěna, její směr vždy přesně souhlasí se směrem antény, protože signály z jiných směrů jsou potlačeny. Netopýr musí sledovat a ultrazvukem ozařovat určitý zorný úhel a pokud směr zvuku určuje podobně jako člověk, používá k tomu dva principy. Poměr hlasitostí zvuku z obou uší a časový rozdíl mezi nimi. Uši člověka zejména na nižších kmitočtech nejsou směrové a tak vyhodnocujeme směr zvuků pomocí časového rozdílu. Pokud například člověk se vzdáleností uší 20 cm rozliší úhel přicházejícího zvuku 30 stupňů, musí vyhodnotit časový rozdíl 0,3 ms. U nízkých a středních kmitočtů zjišťujeme fázový rozdíl tónu přímo z časového průběhu zvuku, tedy ne přes jeho spektrum. Na vysokých kmitočtech toho však nejsme schopni.

Netopýr má vzdálenost uší podstatně menší a tak se časový rozdíl potřebný pro vyhodnocení směru bude pohybovat pod 0,1 ms. Jenže k tomu, aby bylo možné tak přesné časové rozlišení, musel by být vysílaný impulz dostatečně krátký. Na oscilogramu (vpravo) výkřiku (délka 55kB) pravděpodobně netopýra vodního vidíme tón o délce 1,9 ms, který nabíhá a doznívá tak pomalu, že by určení směru podle časového rozdílu nebylo možné. Pro přesné časové rozlišení však netopýr používá frekvenční modulaci. Na sonogramu (vlevo dole) je vidět, jak tón rovnoměrně mění kmitočet. Neostrost sonogramu je dána již z fyzikálního principu. Čím rychlejší změny kmitočtu chceme vidět, tím kratší časové okno pro měření kmitočtu musíme použít a tím přesnost určení kmitočtu klesá. To platí pro měření pomocí FFT, tedy výpočtem spektra. Přibližně stejnou přesnost můžeme předpokládat i u netopýřího sluchu, pokud také vyhodnocuje pouze spektrum. Tedy cca 0,1 ms, což při vzdálenosti uší 7 cm odpovídá rozlišení 30 stupňů. S tím by však netopýr rozlišil v metrové vzdálenosti stranově 0,5 metru a s takovým sonarem by asi moc hmyzu nenašel. Buď se tedy orientuje jen podle poměru hlasitostí a využívá směrovost svých uší (k čemu by mu potom byla frekvenční modulace?), nebo to dělá ještě jinak.

Pokud by netopýr dokázal porovnáním časového průběhu zvuku vyhodnotit fázový rozdíl mezi signály obou uší, měl by k dispozici rozlišení alespoň 1/4 periody a tedy 0,005 ms při kmitočtu 50 KHz. Ve vzdálenosti 2 m by dokázal stranově rozlišit 6 cm a to už by mělo stačit i pro spolehlivou orientaci mezi větvemi stromů. Frekvenční modulace potom zdánlivě ztrácí význam. Ve skutečnosti však musí být každá perioda zvuku jiná a navzájem nezaměnitelná. Jen tak se dá zajistit, aby se netopýr při vyhodnocování větších stranových odchylek o jednu či více period nezmýlil. Pokud netopýr tohle opravdu dovede, nezbývá, než mu dokonalost sluchu závidět.

Naopak, u některých druhů netopýrů při sledování větších a vzdálenějších překážek frekvenční modulace prakticky zmizí (délka 86kB). Netopýr veškerou energii soustředí do jedné frekvence, na kterou soustředí i svůj sluch. Tím získá podstatně větší dosah, ale nedokáže rozlišit detaily.

Ve svých nahrávkách jsem našel i takové zvuky, kterým nerozumím. Někteří netopýři mají trojitý, nebo i vícenásovný výkřik (délka 142kB). Jeho význam z hlediska echolokace nechápu. Nebo snad slouží ke vzájemné komunikaci?

Pokud by si někdo chtěl nahrát netopýry, na stránce Českého fonoklubu je návod, jak na to. Předpokládá to ale magnetofon s potřebným frekvenčním rozsahem, alespoň 50 KHz. Kdo je technicky zdatný, může se podívat na moji stránku do bastlířského koutku. Je tam návod, jak pro natáčení netopýrů upravit kazetový magnetofon.

Příště si rozebereme, jak asi netopýři s větší délkou výkřiku mohou svým sonarem vidět na blízko.