¿Cuál sería el rango de comunicación de una especie submarina?

TL; DR: una conversación normal a 1 km de profundidad viajaría unos 2 kilómetros en el agua. El grito más fuerte que un humano podría producir recorrería unos 3,14 km.

Hay muchos factores que dificultan el cálculo de la distancia que viaja el sonido, siendo los más importantes la presión y la temperatura. Cuanto más baja es la temperatura, menos lejos viaja el sonido, cuanto mayor es la presión, más lejos llega.

El cálculo de la distancia que recorre el sonido es difícil porque no se conocen todas las variables. Pero el principio detrás de la pérdida de volumen del sonido con la distancia se llama absorción . El sonido también pierde energía a medida que se propaga. La pérdida de energía total de estos dos factores se denomina pérdida de transmisión. Dependiendo de los químicos en el agua, se pierden diferentes cantidades de sonido en diferentes distancias.

Para hacer algunos cálculos tratando de obtener valores promedio. La unidad de energía del sonido es dB. La conversación normal tiene una potencia de 60 dB . En el agua, el sonido es más fuerte, por lo que sumamos 62 a todos los valores de sonido en la unidad dB. Esto significa que una conversación normal bajo el agua tiene una fuerza efectiva de alrededor de 122 dB. La frecuencia de voz normal varía, pero una frecuencia típica sería alrededor de 170 Hz . Aproximadamente a esa frecuencia en la mayoría de los océanos, la tasa de absorción es de aproximadamente 0,06 dB/km . Entonces podemos ver que la tasa de absorción es insignificante (aunque se incluirá en los cálculos a continuación). Pero esto significa que las frecuencias tienen un pequeño efecto en la distancia que viaja el sonido.

Ahora bien, el sonido también pierde energía a medida que se propaga. Los sonidos se propagan de dos maneras diferentes, de forma esférica y cilíndrica. Cuando el agua es lo suficientemente profunda, se extiende de forma esférica, pero cuando el agua es menos profunda, se extiende de forma cilíndrica. Esto sucede porque el sonido rebota en la superficie del agua y en el fondo del océano. Entonces, mientras se pierde algo de energía cuando el sonido rebota, se pierde más energía cuando viaja completamente en una esfera. Entonces, el sonido viaja aproximadamente el doble cuando se usa la forma cilíndrica. El sonido se propaga en un cilindro cuando el sonido no se desvanece antes de llegar a la parte superior del agua (por lo que rebota en la superficie). Se puede calcular la cantidad por la cual la distancia del sonido se diluye en una distancia determinada. La fórmula para la pérdida aquí es TL = 20 Log(R). TL significa pérdida de transmisión y R significa rango/radio de la esfera. Debido a que dB es una escala logarítmica, podemos transferir esto directamente a unidades de dB. Entonces, a 1 km, esto da como resultado 60 dB, lo que coincide perfectamente con el volumen de la conversación humana.

Entonces, la pérdida de transmisión total es de 60 dB/km + la tasa de absorción, que es de 0,06 dB/km, lo que da como resultado 60,06 dB/km.

Generalmente, el umbral de la audición humana es de 0 dB. Entonces, utilizando los datos calculados anteriormente, el sonido de una conversación humana normal (si de alguna manera pudiera comunicarse con la misma fuerza bajo el agua), viajaría alrededor de 2,03 km.

Wikipedia dice que el grito más fuerte registrado fue de 129 dB , que es 191 dB en el agua. Entonces, usando los cálculos anteriores, a 1 km de profundidad, un grito viajaría alrededor de 3,18 km. Tenga en cuenta que es un volumen lo suficientemente alto como para lastimar los oídos humanos, por lo que las criaturas submarinas deberían poder manejar volúmenes más altos, o deberían hablar más bajo.

Hay un fenómeno que permite que el sonido viaje distancias mucho más largas. Esto se ha notado especialmente por los ruidos que hacen las ballenas y les permite comunicarse a distancias muy grandes. Cuando el sonido viaja a través del agua, disminuye su velocidad y hace que se refracte hacia abajo. El agua de abajo sigue enfriándose, por lo que el sonido sigue disminuyendo y refractándose. En cierto punto, el agua deja de enfriarse, pero la presión sigue aumentando. Cuando la presión aumenta, el sonido se acelera. Esto hace que el sonido se refracte hacia arriba. Luego se refracta hacia abajo a medida que regresa a las áreas donde la temperatura del agua disminuye. Esta refracción hacia arriba y hacia abajo permite que el sonido viaje una distancia muy larga sin perder mucha energía.

Resumen

Así que hay muchos factores que afectan la distancia que recorre el sonido, siendo el más importante la presión. A la presión estándar utilizada por los científicos, el sonido de una conversación humana normal viajaría unos 2 km. Pero a ciertas profundidades, el sonido en realidad viaja una distancia muy larga. Este fenómeno es el que permite a las ballenas comunicarse a lo largo de miles de km. En menor medida, también podría funcionar para voces humanas, si no está abarrotado.

Y por último me gustaría decir que estos datos no son infalibles. No existe una manera fácil de calcular valores exactos, por lo que estos valores no son exactos.

Referencias y notas:

Hay algunos gráficos muy buenos que muestran las tasas de absorción en este sitio web . Obtuve valores de sonido y tasas de conversión de dB de aire a dB de agua de este sitio . Desafortunadamente, los derechos de autor me impiden volver a publicarlos aquí. Para obtener información sobre los cálculos completos que hice para obtener el TL base para la distribución, consulte este sitio . La información sobre la frecuencia de la voz provino de Wikipedia , al igual que la información sobre los gritos . Gracias a Irigi por señalar algunos errores en mis primeros borradores.

Podría estar muy lejos con esto, pero qué diablos.

No creo que obtenga un habla muy 'humana' de una raza que desarrolló el lenguaje bajo el agua. Los humanos encajan en una categoría extraña en la que nuestro 'sistema' auditivo evolucionó a partir de criaturas acuáticas (lo mismo ocurre con nuestra vista), muy probablemente de los primeros peces... sin embargo, nuestro lenguaje se desarrolló en tiempos más modernos cuando los mamíferos vagaban libremente por la tierra. Así que nuestra voz quedó directamente ligada al medio (aire) a través del cual hablamos y no al agua de donde proviene nuestra audición.

Una especie que permaneció bajo el agua no tendría ese atributo de 'voces ligadas al aire' y muy probablemente desarrollaría un habla directamente ligada al agua como medio. ¿Conoces los lenguajes 'tonales'? Es un concepto extraño para un hablante nativo de inglés (a excepción de unos pocos ejemplos raros... una inflexión hacia arriba al final de una oración denotará una posible pregunta, por ejemplo), pero para las personas acostumbradas a detectarlo, estos tonos significan tanto como las letras. El mandarín contiene el caso 'ma' (es el reverso de las dificultades de arroz/piojos que tienen)... la palabra 'ma' tiene 4 significados diferentes... "madre", "regañar", "caballo", "cáñamo ”. La diferencia entre estos 4 términos es totalmente tonal..

En el caso de una especie submarina, hay varios sonidos en inglés que serían bastante inútiles. Boca el sonido 'p' y luego el sonido 'f'... ambos sonidos son una bocanada de aire con labios tocándose para p y no tocándose para f (los idiomas indonesios carecen de esta distinción). Lo mismo ocurre con la r vs l (diga earl fuller para obtener las diferencias en la posición de la lengua allí) ... th vs d es simplemente un movimiento rápido de la lengua desde la parte superior del techo de la boca frente a la parte posterior de los dientes (un movimiento de la lengua la falta de francés hace que digan dis y den. El inglés carece del sonido francés OE, que es como decir oooo mientras tu boca tiene la forma sonriente de eee).

Esta limitación de que los sonidos "con la boca" no sean efectivos bajo el agua contribuiría mucho a limitar el lenguaje en términos de sonidos que podrían comunicarse de manera efectiva. Esto le da la naturaleza tonal de un idioma submarino que es mucho más factible como un relleno de letras que no pueden hacer en un sentido submarino (también produciría idiomas que sonaran un poco más como una canción de ballenas que como un idioma humano. .casi un lenguaje de silbidos donde el cambio de tono de una letra significa tanto para el significado de la palabra que están diciendo como la palabra misma).

Esta es una forma muy larga de decir que el idioma inglés bajo el agua solo tiene un alcance efectivo de unos buenos 5 a 10 pies antes de que las cosas comiencen a perderse, y la mayoría de los sonidos de los que dependemos para determinar las palabras son casi imposibles de escuchar. comunicarse efectivamente. Es mucho más probable que una especie acuática que se desarrolló por sí misma tenga un lenguaje de 'canción' propio que podría tener un rango de comunicación de más de unos pocos KM si hubiera hecho un sonido intencionalmente para viajes de larga distancia (es decir, un grito)

En general, las bajas frecuencias viajan más lejos pero transportan menos información en un lapso de tiempo dado. Como resultado, tiene una compensación entre esos dos requisitos en competencia. Además, el ruido de baja frecuencia generalmente necesita que la criatura que hace el ruido sea más grande (aunque hay formas de evitarlo hasta cierto punto con órganos especialmente adaptados).

El agua transmite el sonido mucho más eficazmente que el aire. En el aire la velocidad del sonido es de 342 m/s, en el agua es de 1484 m/s. En términos de pérdida de volumen, hay muy poca absorción de sonido de baja frecuencia (una de las razones por las que dura tanto), pero aún se está extendiendo y se vuelve más silencioso a medida que lo hace. La barrera agua-aire actúa como un reflector casi perfecto, por lo que tiende a reducir parte de la pérdida, pero puede crear ecos y confusiones similares.

Este artículo de wikipedia puede serle útil, ya que cubre el tema de la acústica subacuática . En particular, hay varias secciones sobre la propagación del sonido bajo el agua.

La ecolocalización de delfines funciona a una distancia máxima de unos 200 m . Sin embargo, eso es a una frecuencia ligeramente más alta (40 a 130 kHz). Además, eso es 200 m de ida y vuelta, por lo que 400 m de ida, y lo suficientemente preciso como para apuntar a algo del tamaño de un par de pulgadas. Para cantar o gritar en general, creo que algo en el vecindario de 1 km suena razonable.

La absorción del sonido es en realidad algo mínimo. El mayor problema son las pérdidas de alcance. La potencia del sonido cae por rango ^ 2 a medida que se propaga hacia afuera, y eso limita la mayoría del sonido. Las bajas frecuencias de las comunicaciones de las ballenas SÍ ayudan (la frecuencia sí importa), pero el factor más importante para la comunicación de las ballenas es que están aprovechando el Canal del Mar Profundo, que abusa de los gradientes de presión para crear una "guía de ondas" que evita que el sonido suba. o hacia abajo. Esto reduce esos costos de propagación a simplemente rango en lugar de rango ^ 2.

Una limitación mayor es su requisito de que mantengan una conversación "normal". Cualquier entorno acústico se puede modelar como un canal de comunicación ruidoso, donde la "relación señal a ruido" importa. Incluso las ballenas tienen una comunicación limitada en áreas donde el sonido de las olas es demasiado ruidoso. Además, cuanto mayor sea el contenido de la información, mayor será la calidad del canal.

Considere hacer que la comunicación sea más direccional. Si lo piensas bien, todos escuchan un "grito" a través del océano. Si hay miles y miles de criaturas todas "gritando" a la vez, se ahogarán entre sí.

Podría ser plausible que una criatura submarina con un sistema de comunicación de baja frecuencia y larga distancia completamente optimizado como una ballena, podría desarrollar un sistema de comunicación de superficie completamente separado. Tal vez un espiráculo parecido a un delfín que cumplió algún propósito simbiótico, como llamar a los pájaros para despejar un agujero obstruido, o se usó como una llamada de juego para atraer a los animales terrestres cerca de la orilla del agua para ser devorados. El sistema de baja frecuencia podría ser no vocal, desencadenado por estremecimientos de todo el cuerpo. El sistema de comunicación de aire de alta frecuencia, aunque inicialmente evolucionó como biomimética, podría seleccionarse de forma natural o artificial a medida que los animales enfermos que hacían sonidos que los humanos entendían tenían más probabilidades de recibir antibióticos u otro tratamiento.

La selección artificial es cuando los humanos eligen criar animales con rasgos específicos que les agradan, a pesar de ser potencialmente dañinos para el animal. es decir. cabras desmayadas, perros con hocicos tan cortos que no pueden respirar bien, grandes daneses y san bernardos tan grandes que tienen problemas cardíacos. Parece que tal proceso podría necesitar desempeñar un papel importante aquí.