Как цикада создаёт громкий звук

У поющих самцов цикад звук возникает благодаря быстрым изменениям формы специальных перепонок по бокам брюшка. Мышца втягивает такую перепонку, а её укреплённые участки резко прогибаются и дают щелчки. Затем колебания взаимодействуют с другими частями звуковой системы. Поэтому слышимая песня зависит и от источника колебаний, и от того, как тело передаёт их наружу.

Мышца приводит в движение упругую перепонку

Звуковая перепонка, которую называют тимбалом, имеет укрепляющие рёбра и отдельную плотную пластинку. Между ними находятся гибкие участки наружного покрова. Это не ровная плёнка, по которой насекомое ударяет другой ногой, и не две крыльевые поверхности, трущиеся друг о друга.

В исследовании австралийской цикады описали, как сокращение мышцы заставляет плотную пластинку двигаться внутрь. Её движение передаётся рёбрам. Они последовательно меняют выпуклую форму, резко прогибаясь в определённых местах. Такие быстрые переходы создают звуковые щелчки.

Упругий участок помогает вернуть перепонку в исходное положение. Возвращение тоже может сопровождаться звуком, но оно не обязательно равно втягиванию по громкости и частоте. В той же работе установили собственные резонансные свойства перепонки: она способна поддерживать колебания, а не только передавать одиночный толчок дальше.

Один цикл движения может содержать несколько толчков

В последующей механической проверке у того же вида отдельно изучали последовательность работы рёбер. В экспериментальной подготовке одно втягивание давало ряд звуковых импульсов, связанных с их очередным прогибанием. После освобождения и возврата возникал ещё один импульс. Это помогает понять, почему число сокращений мышцы нельзя просто приравнять к числу быстрых колебаний звука.

Импульсы различались по основным частотам. Исследователи связывали это с соотношением массы и упругости движущихся деталей. Следовательно, высота звучания зависит от устройства перепонки, а не только от команды мышце двигаться чаще.

Результаты также поддерживали объяснение через накопление упругой энергии перед резким переходом формы. Изученные детали работали как связанная система. Удаление части структуры меняло её механические свойства; это исследовательский способ проверки, а не необходимое действие при обычном наблюдении цикады.

Воздушная полость участвует в звучании

В работе с высушенными телами цикад и искусственными полостями изучали другую часть механизма. Полость, сходная по форме и размерам с брюшком изученного самца, особенно хорошо отвечала на определённые частоты. Такое усиление ответа называют резонансом.

Короткие щелчки, поданные в модель, давали более продолжительные звуковые импульсы. Их форма зависела от числа щелчков и времени между ними. Поэтому слышимый участок песни не является простой копией каждого отдельного механического толчка.

Авторы предложили объяснение через связь колеблющейся перепонки и воздушной полости брюшка, из которой звук выходит через другие перепонки. Расчёт согласовался не со всеми сравниваемыми видами без поправок. Это важное ограничение: общая роль полости не делает геометрию и свойства всех цикад одинаковыми.

Перепонка и готовая песня дают разные сведения

В более позднем исследовании сопоставили движение звуковой перепонки и записанный звук другого вида цикады. Вибрационные измерения описывали колебания источника. Запись песни отражала также работу остальных резонирующих структур.

Воздушная полость действовала как частотный фильтр: одни составляющие ослаблялись, другие усиливались. Поэтому наиболее заметная частота готовой песни не обязана полностью описывать все колебания перепонки. Механическая модель помогала рассматривать эти этапы совместно, сохраняя отличие измеренного движения от его звукового результата.

Для спокойного наблюдения достаточно послушать цикаду с обычного расстояния и отметить начало, паузы и продолжительность слышимых участков. Не нужно ловить насекомое, снимать защитные покровы или давить на брюшко. По внешней фотографии нельзя измерить работу отдельных рёбер. Основной механизм становится понятнее, если проследить цепочку: мышца меняет форму перепонки, резкие переходы дают толчки, а связанные структуры определяют слышимое звучание.