バイオ音響学

生物音響学は生物学と音響学を組み合わせた学際的な科学です。通常、生物音響学は動物（人間を含む）における音の生成、拡散、受容の研究を指します。 ^[1]これには、音の生成と検出の神経生理学的および解剖学的基礎、および音響信号とそれが拡散する媒体との関係が含まれます。その研究結果は、音響メカニズムの進化、そしてそれを利用する動物の進化についての手がかりを提供します。

水中音響学や漁業音響学では、この用語は水中を伝播する音に対する植物や動物の影響を意味するためにも使用され、通常はバイオマス推定のためのソナー技術の使用に関連しています。 ^{[2] [3]動物が使用する基質伝播振動の研究は、}バイオトレモロジーと呼ばれる独自の分野であると考える人もいます。^[4]

人間は長い間、動物の鳴き声を利用して動物を認識したり見つけたりしてきました。生物音響学という学問分野は、昆虫の鳴き声を体系的に研究し始めたスロベニアの生物学者イヴァン・レーゲンによって確立されました。1925年、彼は特殊な鳴き声発生装置を使って昆虫とデュエットしました。後に、彼は雄のコオロギをマイクの後ろに置き、雌のコオロギをスピーカーの前に置きました。雌は雄に向かってではなく、スピーカーに向かって動いていました。^{[5]昆虫も空気中の音を感知するという認識の他に、レーゲンがこの分野にもたらした最も重要な貢献は、}鼓膜器官の機能の発見でした。 ^[6]

当時利用できた比較的粗雑な電気機械装置（蓄音機など）では、信号特性を大まかにしか評価できませんでした。20 世紀後半には、電子機器の進歩とオシロスコープやデジタル レコーダー などの装置の活用により、より正確な測定が可能になりました。

生物音響学における最近の進歩は、動物とその音響環境との関係、および人為的騒音の影響に関するものである。生物音響技術は、最近、ある地域の生物多様性を推定するための非破壊的な方法として提案されている。^[7]

陸上環境では、光は空気中を伝わりやすいため、動物は距離を感知するために光をよく使用します。水中の太陽光は、深さ数十メートルまでしか届きません。しかし、音は水中を伝わり、かなりの距離まで容易に伝わります。多くの海洋動物はよく見えますが、コミュニケーションや距離と位置の感知には聴覚を使用しています。動物における聴覚と視覚の相対的な重要性は、聴覚神経と視神経の数を比較することで測定できます。

1950年代から1960年代にかけて、高周波クリック音を用いたイルカのエコーロケーション行動に関する研究により、多くの異なる海洋哺乳類種が音を発し、水中の種の検出と識別に使用できることが明らかになりました。生物学的音源は水中での軍事利用を妨げる可能性があるため、生物音響学の研究の多くは海軍研究機関によって資金提供されてきました。^[8]

聴覚は、今でも生物音響研究で使われる主な方法の 1 つです。動物の音の生成、検出、解釈に関与する神経生理学的プロセスについてはほとんどわかっていないため、動物の行動と信号自体が、これらのプロセスを理解するために使われています。

熟練した観察者であれば、動物の鳴き声から「鳴く」動物の種類や、その自然界における位置や状態を認識できます。動物の鳴き声の調査には、電子録音機器による信号の録音も含まれます。信号の特性や信号が伝わる媒体は多岐にわたるため、通常のマイクの代わりに、ハイドロフォン（水中音用）、超音波（超高周波音）や超低周波音（超低周波音）の検出器、レーザー振動計（基質振動信号）などの特殊な機器が必要になる場合があります。録音した音の保存と分析にはコンピューターが使用されます。特殊な音声編集ソフトウェアは、強度、周波数、持続時間などのパラメータ に従って信号を記述および分類するために使用されます。

自然史博物館やその他の機関が管理する動物の音声コレクションは、信号を体系的に調査するための重要なツールです。信号処理、データマイニング、機械学習、人工知能^[9]技術を含む多くの効果的な自動化手法が、生物音響信号の検出と分類のために開発されています。^[10]

生物音響学の分野の科学者は、音の生成と検出に関与する器官の解剖学と神経生理学に興味を持っています。これには、器官の形状、筋肉の働き、関与する神経ネットワークの活動が含まれます。特に興味深いのは、後者における 活動電位による信号のコーディングです。

しかし、神経生理学の研究に用いられる方法はまだかなり複雑で、関連するプロセスの理解が不完全であるため、より単純な方法も使用されています。特に有用なのは、音響信号に対する行動反応の観察です。そのような反応の 1 つが音韻走性(信号源に向かう方向への動き) です。制御された環境で明確に定義された信号に対する反応を観察することで、信号の機能、聴覚装置の感度、ノイズフィルタリング機能など について理解を深めることができます。

バイオマス推定は、ソナー技術を使用して魚やその他の海洋生物を検出し、定量化する方法です。 ^[3]音波パルスが水中を伝わると、周囲の媒体とは密度が異なる物体（魚など）に遭遇し、音源に向かって音を反射します。これらのエコーから、魚のサイズ、位置、および個体数に関する情報が得られます。科学的エコーサウンダーハードウェアの基本機能は、音の送信、受信、フィルタリングと増幅、記録、およびエコーの分析です。市販の「魚群探知機」の製造元は多数ありますが、定量分析には、信号対雑音比の高い校正済みのエコーサウンダー機器を使用して測定を行う必要があります。

生物音響学の範囲内にある動物が使用する音には、広範囲の周波数と媒体が含まれ、多くの場合、狭義の意味での「音」（つまり、空気中を伝播し、人間の耳で検出できる圧縮波）ではない。例えば、キリギリスは、超音波の範囲にまで達する100 kHzを超える周波数の音でコミュニケーションをとる。 ^[11]コウモリは、超音波の範囲ではあるがそれより低い音でエコーロケーションに使用している。節のある海洋性動物であるLeocratides kimuraorumは、海で最も大きなポップ音の1つであり、周波数1～100 kHzで157 dBの音を出し、カニエビに似ている。^{[12] [13]}周波数スペクトルの反対側には低周波振動があり、多くの場合、聴覚器官では検出されないが、他のそれほど特殊ではない感覚器官で検出される。例としては、ゾウが出す地面の振動（主な周波数成分は約15Hz）や、ほとんどの昆虫目が使用する低周波から中周波の基質振動などがあります。^[14]しかし、多くの動物の音は、人間の耳で聞き取れる周波数範囲である20～20,000Hzに収まります。^[15]音の生成と検出のメカニズムは、信号自体と同じくらい多様です。

2013年から2016年にかけて発表された一連の科学雑誌の記事の中で、西オーストラリア大学のモニカ・ガリアーノは、科学の範囲を植物の生物音響学まで拡張しました。^[16]

• Ewing AW (1989):節足動物の生物音響学: 神経生物学と行動。エディンバラ: エディンバラ大学出版局。ISBN 0-7486-0148-1 
• Fletcher N. (2007):動物の生体音響学。IN : Rossing TD (ed.): Springer 音響ハンドブック、Springer。ISBN 978-0-387-33633-6 

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• ASA 動物生体音響技術委員会
• BioAcoustica: 野生動物の音データベース
• 大英図書館の音声アーカイブには、10,000 種を超える鳥の録音が 150,000 件収蔵されています。
• 国際生物音響評議会は、多くの生物音響リソースにリンクしています。
• オハイオ州立大学のボラー生物音響学研究所には、動物の音声録音の大規模なアーカイブがあります。
• 自然を聴く 2016-09-22にWayback Machineでアーカイブ動物の歌と鳴き声の例400選
• 野生動物音声録音協会
• コーネル鳥類学研究所の生物音響研究プログラムでは、さまざまな無料の生物音響合成および分析プログラムを配布しています。
• コーネル大学鳥類学研究所のマコーレー図書館は、動物の鳴き声とそれに関連するビデオの世界最大のコレクションです。
• Xeno-canto 世界中の鳥の鳴き声を集めたコレクション。