Dr. Elemans et al. replizieren Vogelgesang mit Hilfe von Druck in einem geschlossenen System
Wie singen die Vögel? Ähnlich wie du und ich, wie sich herausstellt.
Forschung von Dr. Coen Elemans et al, Universelle Mechanismen der Schallerzeugung und -kontrolle bei Vögeln und Säugetieren, veröffentlicht in Naturkommunikationen Nov. 2015, stellte fest, dass Vögel und Säugetiere denselben physikalischen Mechanismus der Schallerzeugung nutzen - den myoelastisch-aerodynamischen (MEAD) Mechanismus.
Entscheidend für diese Forschung war die Fähigkeit, die Gewebeschwingungen in der Syrinx, dem Kehlkopf des Vogels, nachzubilden, indem man die Drücke in einem geschlossenen System unterhalb und außerhalb dieses Organs fein kontrolliert. Um diese Kontrolle zu erreichen, verwendete Dr. Elemans das Alicat Zweiventil-Druckregler für ihr hohes Maß an Genauigkeit und Kontrolle innerhalb geschlossener Volumen.
Druckkontrolle animiert MEAD-Schwingungen
Aie Vokallaute von Tieren bestehen aus diskreten Luftimpulsen, die durch Schwingungen des Stimmgewebes mit einer Frequenz von mehreren hundert Mal pro Sekunde erzeugt werden. Der MEAD-Mechanismus beschreibt, wie diese Schwingungen aufrechterhalten werden, ohne dass aktive Muskelvibrationen mit derselben Frequenz erforderlich sind, die jedes Tier mit Sicherheit ermüden würden (die schnellsten bekannten Muskeln können sich nicht schneller als 250 Hz zusammenziehen).
Nach der MEAD-Theorie baut sich der Luftdruck unter dem geschlossenen Stimmbandgewebe auf, bis der Druck ausreicht, um das Gewebe zum Öffnen zu zwingen. Das Gewebe öffnet und schließt sich asymmetrisch, und die durchströmende Luft wird durch seine Schwingungen zerhackt, wodurch ein Ton entsteht. Die Frequenz der Schwingungen bestimmt die Tonhöhe des Klangs, und die Schwingungsfrequenz wird durch die Strömungsgeschwindigkeit durch die Stimmlippen und die Muskelspannung des Gewebes bestimmt.
Ein Teil von Abbildung 1 aus dem Artikel des Teams in Naturund zeigt MEAD-Schwingungen.
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Um festzustellen, ob MEAD bei Vögeln so funktioniert, wie es bei Säugetieren nachgewiesen wurde, musste das Team von Dr. Elemans den druckbedingten Luftstrom durch die Syrinx replizieren.
Das Team wollte den Druck in den bronchialen Atemwegen unterhalb des Stimmgewebes genau kontrollieren, um das Vorhandensein von MEAD-Schwingungen zu testen. Da der Rest des Atmungssystems des Vogels praktisch eine Sackgasse war, war der Druckregler mit zwei Ventilen von Alicat die perfekte Lösung. Die beiden Ventile, eines am Einlass und das andere am Auslass, ermöglichen es dem Gerät, exakte Drücke in einem geschlossenen System aufrechtzuerhalten, indem dem Volumen je nach Bedarf Luft hinzugefügt oder entzogen wird.
Differenzdruckregler für geschlossene Volumen mit Fernanzeige. Beachten Sie die beiden Druckmessanschlüsse auf der Vorderseite.
Das Forschungsteam musste außerdem einen geringen Überdruck von bis zu 3 kPA (0,4 PSIG) kontrollieren, um Schäden an den untersuchten biologischen Strukturen zu vermeiden. Zu diesem Zweck spezifizierte Alicat die Verwendung eines Differenzdrucksensors im Druckregler. Einer der Fernfühleranschlüsse wurde an die Bronchialluftwege des Vogels angeschlossen, der andere wurde zur Atmosphäre hin offen gelassen.
Dadurch konnte der Bronchialdruck konstant auf den lokalen atmosphärischen Druck bezogen werden, unabhängig davon, wie leicht er sich während des Experiments veränderte. Integrierte analoge und digitale Steuersignale machten es dem Team leicht, die Syrinx bronchialen Druckrampen zu unterwerfen.
Schlussfolgerungen: Druckkontrollräume und Redundanz
Dr. Elemens wollte nicht nur die Funktionsweise von MEAD bei Vögeln nachweisen, sondern auch feststellen, ob die Vokalisationen der Vögel auf einzigartige Muskelbefehle oder einen redundanten Kontrollraum zurückzuführen sind. Um dies zu testen, variierte das Team den Druck des interklavikulären Luftsacks (ICAS), der die Syrinx umgibt, und setzte die Syrinx gleichzeitig bronchialen Druckrampen und unterschiedlich starken Muskelstimulationen aus. Eine zweite PCD wurde eingesetzt, um den simulierten ICAS-Druck innerhalb desselben Bereichs von 1-3 kPa wie das Bronchialvolumen zu variieren.
Das Team fand heraus, dass mehrere Druckkombinationen innerhalb der beiden Druckzonen sowie muskuläre Stimuli die gleiche Grundfrequenz erzeugen können, ein Redundanzmerkmal, das für MEAD typisch ist.
Bezeichnenderweise fand das Team von Dr. Elemens auch heraus, dass der aerodynamische Motor, der die Schwingungen des Stimmgewebes aufrechterhielt, nicht durch "die Massenträgheit der Luftsäule im Vokaltrakt, sondern durch die gewebebedingten intraglottalen Druckänderungen" erzeugt wurde (Seite 6 der Studie). Studie). Der Wechsel zwischen niedrigem und hohem Druck zur Aufrechterhaltung der Strömung durch das Stimmgewebe wurde nicht durch die Luftmasse verursacht, die sich in der Kehle des Vogels nach oben bewegte. Stattdessen erzeugte die Wellenbewegung der Geweberänder die notwendigen Druckänderungen innerhalb der Syrinx. Dadurch entstand in dem geschlossenen System ein Bereich mit niedrigem Druck, bis sich das Gewebe wieder öffnete.
Ein Teil von Abbildung 6 aus dem Artikel des Teams in Naturmit redundanten Druckkontrollräumen. Klicken Sie, um das ganze Bild zu sehen.