Wie machen kleine Tiere laute Geräusche?

Die Zikade

Eine sorgfältige Untersuchung des lärmerzeugenden Apparats der Zikade findet sich in einem Artikel von Young und Bennet-Clark aus dem Jahr 1994.$^1$Die Autoren erzeugten Geräusche bei etwa 0-16 kHz mit Spitzen in der Größenordnung von 100 dB, indem sie Zikaden in verschiedenen Stadien der Dekonstruktion verwendeten. Die Zikade verwendet ein resonantes Organsystem namens Trommelfell, das sich schnell ein- und ausschnallt , um Töne zu erzeugen. Das Einknicken wird durch Muskelkontraktion verursacht und ist lauter als die Ausknickphase (Entspannungsphase). Luftsäcke (ein Merkmal vieler anderer kleiner Krachmacher) dienen dazu, den Schall zu verstärken. Das Trommelfell selbst hat für die Arten in diesem Artikel eine Resonanzfrequenz von etwa 4 kHz (Young, Seite 1017). Der Gesang der Zikade, modifiziert/verstärkt durch Luftsäcke und andere Strukturen, liegt oft bei etwa 10 kHz.$^{2}$

Reiner Ton vs. diffuser Ton?

Die Lautäußerungen großer Wirbeltiere sind eine komplexe Überlagerung von Wellen, die im Frequenzspektrum etwas gespreizt sind. In dem Maße, in dem ein Frosch oder ein Vogel einen reinen Ton aussendet, wird die Energie auf einen schmalen Frequenzbereich beschränkt, und dies kann eine Strategie sein, um eine größere Amplitude zu erreichen. Bei vergleichbarer Audioempfindlichkeit hängt die Intensität reiner Töne jedoch unabhängig von der Frequenz von der Amplitude (Intensität) ab.$^{3,4}$

Andere kleine laute Tiere

Während der Gesang der Zikaden intensiv ist, besonders im Konzert, gibt es auf individueller Ebene Konkurrenz durch andere Arten. Laut einem Gizmodo- Artikel, in dem verschiedene Wissenschaftler zitiert werden, erzeugt die schnappende Garnele ein vorübergehendes Knacken von etwa 200 Dezibel, ein Pegel, den eine Website als „ohrenbetäubend“ bezeichnet. Zum Vergleich: Delfine können kurze Zwitschern von 220 dB aussenden, aber diese liegen außerhalb des Bereichs des menschlichen Gehörs. Laut dem Artikel gibt der Löwe ein Gebrüll von 115 dB ab, das anhaltend und 8 km entfernt hörbar ist. Elefanten sind ebenso wie Brüllaffen zu 117-dB-Schreien fähig.

Sowohl die Garnele als auch die Zikade verwenden nicht-stimmliche Vibrationen, um ihre Geräusche zu erzeugen. Die Garnele verwendet eine "federbelastete Klaue" (die Feder ist ein Muskel). Die lokalisierte Kraft eines Teils der Klaue, die auf den anderen trifft, erzeugt eine Blase (dies wird als Trägheitskavitation bezeichnet ). Wenn die Blase zusammenbricht, erzeugt sie eine Schockwelle (Lärm), die Fische (Beute) betäubt.$^5$Das Geräusch von Fröschen wird erzeugt, wenn Luft von den Lungen durch den Kehlkopf strömt, verstärkt durch ausgedehnte Luftsäcke, die mitschwingen. Vögel können bis zu 135 dB erzeugen (der Weichkakadu). Sie drücken im Allgemeinen Luft an (Membranen und) einem spezialisierten Organ namens Syrinx vorbei, das sich am unteren Ende der Luftröhre befindet (siehe Wikipedia -Hinweis zur Vokalisierung von Vögeln).

Micronecta scholtzi, ein 2 mm langes Wasserinsekt, ist für seine Größe das lauteste bekannte Tier. Es erzeugt ein Geräusch mit einer Intensität von 99,2 dB, das (obwohl es beim Übergang von Wasser zu Luft weitgehend verloren geht) für Menschen an Land hörbar ist. Laut der Wikipedia-Notiz erzeugt es dieses Geräusch, indem es „einen Kamm auf seinem Penis über Wellen auf seinem Bauch streichelt“. Die betroffene Fläche beträgt etwa 50$\mu m$über. Einzelheiten des Mechanismus sind kaum bekannt. Der Vergleich des Artikels mit dem 236 (Unterwasser-) dB-Gesang des Pottwals gibt Perspektive, da ein Pottwal 14 Tonnen wiegen kann.

Ein gemeinsamer Aspekt der Schallintensität: Hohlraumresonanz

Beschreibende Studien zur Geräuscherzeugung durch kleine Tiere (mit der möglichen Ausnahme der Schnappgarnelen) erklären nicht vollständig, warum ein Ein-Gramm-Käfer einen größeren Lärm machen kann als ein Löwe. Rein vokale Methoden größerer Wirbeltiere erzeugen anhaltende Geräusche in der Größenordnung von 100 dB, aber die nicht stimmlichen Instrumente kleinerer Kreaturen sind in der Lage, kurze Ausbrüche von erstaunlicher Intensität zu erzeugen.

Es ist schwer zu verallgemeinern, aber da Luftsäcke Teil vieler Klangerzeugungsschemata sind, spielt die Hohlraumresonanz wahrscheinlich eine wichtige Rolle. Wie Feder-Masse-Systeme oder RLC-Schaltungen haben Hohlräume Resonanzfrequenzen, bei denen die Amplitude eines Signals erhöht werden kann (die Pfeife des Polizisten ist ein bekanntes Beispiel). Ein anderer Aufsatz von Bennet-Clark und Young skizziert eine Theorie in dieser Richtung. Bei Resonanzfrequenzen fällt die Impedanz des Instruments stark ab und die Energie wird nicht (im Allgemeinen als Wärme) abgeführt, sondern als Schall abgegeben.$^6$

$^1$Bennet-Clark und Young, The Role of the Tymbal in Cicada Sound Production, J. of Experimental Biol. (1995) 198, 1001-1019.

$^{2}$Die Frequenz von Zikaden ist variabel, meistens in der Größenordnung von 10 kHz, aber gelegentlich sehr niedrig (< 1 kHz), hauptsächlich aufgrund der Körpergröße. Siehe diesen Artikel .

$^3$Schall – im Wesentlichen eine Kompressionswelle – nimmt mit der Entfernung ab. Wenn also der Wiki-Artikel über Geräuschpegel Geräuschpegel vergleicht, enthält er die Entfernung zum Objekt. Zum Beispiel sind 100 db (vergleichbar mit der Zikade) der Geräuschpegel, der mit einem Presslufthammer in 1 Meter Entfernung verbunden ist.

$^4$Der hörbare Bereich für Menschen beträgt ungefähr 15 Hz bis 16000 Hz. Wie unten erwähnt, kann der Delphin sehr intensive, hohe Töne abgeben, die wir überhaupt nicht hören, daher hilft die Analogie zu EM-Wellen (höhere Frequenz = höhere Energie) nicht, die Wahrnehmung vorherzusagen. Siehe Pfaff und Stecker, Loudness and Frequency Content of Noise in the Animal House, Lab. Tiere (1976) 10, 111-117.

$^5$M. Versluis, B. Schmitz, A. von der Heydt & D. Lohse (2000). "Wie schnappende Garnelen schnappen: durch kavitierende Blasen". Wissenschaft 289 (5487): 2114–2117.

$^6$Bennet-Clark und Young, Short Communication, The Scaling of Song Frequency in Cicadas, J. Exp. Biol. 191, 291-294 (1994).

Intuitiv würde ich sagen, dass kleine Kreaturen nicht leicht zu sehen sind. Daher brauchen sie hörbare Leuchttürme, um anderen ihren Standort zu signalisieren

große Kreaturen haben dieses Bedürfnis normalerweise nicht, aber einige haben es, wie Wale, die Geräusche aussenden können, die Hunderte von Kilometern entfernt zu hören sind