I segnali acustici (cioè sonori) sono omnidirezionali (cioè viaggiano in tutte le direzioni) e possono essere trasmessi a un vasto pubblico, compresi gli ascoltatori previsti e non voluti, e quelli in vista e nascosti alla vista. Essendo di breve durata e deliberati, i segnali acustici sono utili per fornire informazioni su una situazione immediata, piuttosto che su uno stato costante. Attraverso la riflessione, la rifrazione e l’assorbimento, i segnali acustici vengono degradati dall’ambiente in modi che sono spesso molto più grandi per i suoni ad alta frequenza che per i suoni a bassa frequenza. Gli elefanti sono specialisti nella produzione di suoni a bassa frequenza e nell’uso della comunicazione a lunga distanza. Dai un’occhiata ad alcuni buoni esempi sulla comunicazione acustica degli elefanti nell’articolo “What Elephant Calls Mean: A User’s Guide” pubblicato da National Geographic nel 2014, basato sul lavoro di ElephantVoices.

La gamma di suoni che gli elefanti producono

Gli elefanti producono una vasta gamma di suoni da rumori a frequenza molto bassa a sbuffi a frequenza più alta, abbaia, ruggisce, grida e altre chiamate idiosincratiche. Anche gli elefanti asiatici producono cinguettii. La categoria di chiamate più frequentemente utilizzata, almeno per gli elefanti africani, è il rombo a frequenza molto bassa. È possibile cercare, ascoltare e leggere numerosi suoni attraverso nella sezione Risorse multimediali – Tipi di chiamata e contesti.

Per avere un’idea della gamma di frequenze utilizzate dagli elefanti può essere utile confrontarle con la gamma utilizzata dalle persone. La voce di un tipico maschio umano nel discorso oscilla intorno a 110 Hertz (Hz, o cicli al secondo), la voce di una femmina intorno a 220 Hz e quella di un bambino intorno a 300 Hz. Tra gli elefanti, un tipico rombo maschile oscilla intorno a un minimo medio di 12 Hz (più di 3 ottave sotto la voce di un uomo), un rombo femminile intorno a 13 Hz e un vitello intorno a 22 Hz.

Nel normale linguaggio umano, il tasso di vibrazione può variare su un 2:rapporto 1, in altre parole su un’ottava, mentre una voce di cantanti può avere un intervallo di oltre due ottave. Al contrario, la frequenza fondamentale all’interno di un singolo elephant call può variare su 4 ottave, iniziando con un rombo a 27 Hz e classificandosi in un ruggito a 470 Hz! Comprese le armoniche elephant calls possono contenere frequenze che vanno oltre 10 ottave, da un minimo di 5 Hz ad un massimo di oltre 10.000 Hz. Immagina una composizione musicale con alcuni elefanti operistici!

Gli elefanti possono produrre suoni molto delicati e morbidi e suoni estremamente potenti. Puoi ascoltare un paio di esempi qui sotto. (Cuffie / sistema audio consigliato) Alcune delle chiamate prodotte da elefanti possono essere potenti come 112 decibel (dB) registrati a 1 metro dalla sorgente. Decibel sono misurati su una scala logaritmica e per darvi qualche idea di quanto forte alcuni suoni elefante sono abbiamo copiato le informazioni da una tabella in La scienza del suono da T. D. Rossing che fornisce alcuni esempi di livelli sonori tipici si potrebbe incontrare.

Jet takeoff (60 m)	120 dB
Construction site	110 dB Intolerable
Shout at 1.5 m	100 dB
Heavy truck at 15 m	90 dB Very noisy
City street	80 dB
Vehicle interior	70 dB Noisy
Normal conversation at 1 m	60 dB
Office, classroom	50 dB Moderate
Living room	40 dB
Bedroom at night	30 dB Quiet
studio di Trasmissione	20 dB
Fruscio delle foglie	10 dB a Malapena udibile

Come elefanti produrre una gamma di suoni?

Il suono viene prodotto mentre l’aria espulsa dai polmoni viene fatta passare sopra le corde vocali o la laringe, una struttura negli elefanti lunga circa 7,5 cm. L’aria in movimento fa vibrare le corde vocali ad una frequenza particolare a seconda del tipo di suono che l’elefante sta facendo. Allungando o accorciando le corde vocali un elefante può produrre una vasta gamma di frequenze. La colonna d’aria vibra nel tratto vocale esteso dell’elefante o nella camera di risonanza e, a seconda di come l’elefante tiene le varie componenti di questa camera (tronco, bocca, lingua, sacca faringea, laringe) è in grado di modificare e amplificare diverse componenti del suono.

Alcuni richiami da parte degli elefanti sono associati a particolari posture della testa e delle orecchie. È nostra convinzione che, tenendo la testa in una certa postura e sbattendo le orecchie in un particolare ritmo e angolo, un elefante sia in grado di influenzare la muscolatura intorno alla laringe, modificando così un particolare richiamo per ottenere il suono desiderato. Ascolta qui un musth-rumble, che è associato a uno speciale battito dell’orecchio pulsante noto come ondeggiamento dell’orecchio.

Risultati molto diversi possono essere raggiunti con lo stesso rombo di base alla fonte (durata e frequenza) a seconda che l’elefante tenga la bocca spalancata o chiusa, la testa alta o bassa, le orecchie ferme, sbattendo lentamente o rapidamente, o forse sollevato e piegato. E a seconda del posizionamento del tronco e della velocità e della durata dell’aria che si muove attraverso di esso, gli elefanti sono in grado di produrre una meravigliosa miscela di suoni strombazzanti a frequenza più elevata.

Gli elefanti sono in grado di produrre suoni a frequenza molto bassa per diversi motivi. Innanzitutto sono in grado di produrre suoni bassi perché sono di grande corpo e, proprio come negli strumenti musicali, più lunga e sciolta è la corda vibrante (o corde vocali) e più grande è la camera di risonanza, minore è la frequenza prodotta. Oltre ad essere animali di grandi dimensioni, gli elefanti hanno diversi adattamenti che consentono loro di rendere la loro camera di risonanza ancora più grande e le loro corde vocali ancora più lunghe e quindi produrre suoni ancora più bassi di quanto ci si potrebbe aspettare.

Il primo di questi è il tronco dell’elefante che in un maschio adulto può aggiungere fino a 2 metri alla lunghezza della camera di risonanza.

In secondo luogo, le strutture dell’apparato ioide (una serie di ossa alla base della lingua) e la muscolatura che sostengono la lingua e la laringe negli elefanti sono diverse dagli altri mammiferi. L’apparato ioide degli elefanti ha cinque piuttosto che nove ossa, e queste sono attaccate al cranio da muscoli, tendini e legamenti, piuttosto che da ossa come nella maggior parte degli altri mammiferi. Questa disposizione piuttosto sciolta consente un maggiore movimento e flessibilità della laringe ed è, quindi, pensata per facilitare la produzione e la risonanza di suoni a bassa frequenza.

Terzo, nella maggior parte dei mammiferi l’apparato ioide fornisce supporto per la lingua e per la laringe. La disposizione più flessibile negli elefanti ospita anche una sacca faringea, una struttura unica per gli elefanti situata alla base della lingua, che oltre a fornire una fonte d’acqua di emergenza, sembra funzionare nella produzione di chiamate a bassa frequenza.

Nell’uomo, e per inferenza anche negli elefanti, i muscoli della laringe aiutano a contrarsi e rilassare le corde vocali. Maggiore è la flessibilità della laringe, maggiore è la capacità di questi muscoli di allungare e rilassarsi, che a sua volta influenza la contrazione e il rilassamento delle corde vocali e di conseguenza l’altezza o la frequenza del suono che viene prodotto. Quindi, la modifica negli elefanti dell’apparato ioide per ospitare la sacca faringea consente anche un allargamento della camera di risonanza abbassando la laringe attaccata liberamente. Di conseguenza, gli elefanti sono in grado di produrre suoni a frequenza molto bassa.

La sacca faringea

Durante il clima estremamente caldo gli elefanti possono essere visti per inserire i loro tronchi nelle loro bocche e ritirare l’acqua dalla gola. Si scopre che gli elefanti sono in grado di immagazzinare diversi litri di acqua in una sacca faringea (che significa nella regione della faringe), una struttura unica per gli elefanti situati alla base della lingua. Gli elefanti possono prelevare acqua memorizzate inserendo il tronco fino alla faringe, comprimendo i muscoli alla periferia della faringe per formare una tenuta stagna intorno alla punta del tronco e quindi comprimendo i muscoli della faringe sacchetto in modo da spremere l’acqua verso l’alto, permettendo l’elefante di riempire il suo tronco.

Trasmissione del suono

I suoni prodotti più frequentemente dagli elefanti rientrano nella categoria denominata rumble. Questi suoni a bassissima frequenza erano così chiamati perché una volta la gente pensava che alcuni di loro provenissero dal tratto digestivo dell’elefante e quindi davano loro il nome stomaco-rumbles! Questi suoni a bassissima frequenza hanno attirato molto interesse e ricerca per due motivi. Innanzitutto, i componenti più bassi di questi richiami di elefanti sono tra una e due ottave al di sotto del limite inferiore dell’udito umano. E in secondo luogo, poiché il suono a frequenza più bassa viaggia più lontano del suono a frequenza più alta, gli elefanti usano la più potente di queste chiamate per comunicare su lunghe distanze.

Il suono che viaggia attraverso l’aria si attenua per la legge quadrata inversa a 6 decibel (dB) per ogni raddoppio della distanza dalla sorgente. Quindi, ad esempio, un suono che misura 100 dB a un metro dalla sorgente sarà ridotto a 94 dB a 2 metri, 88 a 4 metri, 82 dB a 8 metri e così via. Il suono si attenua anche attraverso “l’attenuazione in eccesso” mentre viaggia attraverso l’ambiente. Il grado di attenuazione in eccesso è influenzato dalla frequenza di un suono e dal tipo di habitat che sta attraversando. Ma il suono molto bassa frequenza, come ad esempio le frequenze molto basse prodotte da elefanti rombo, soffrono di poca o nessuna attenuazione in eccesso. Nelle savane erbose e nei boschi gli elefanti che comunicano su distanze superiori a 100 m dovrebbero essere in grado di percepire le chiamate a bassa frequenza meglio delle chiamate a frequenza più elevata. Gruppi di elefanti sono spesso oltre 100m di diametro e sottogruppi di elefanti correlati sono spesso separati da diversi chilometri. Potenti suoni brontolanti sono il mezzo con cui questi individui rimangono in contatto tra loro.

Alcune delle chiamate effettuate dagli elefanti sono estremamente potenti e possono raggiungere fino a 112 dB a 1 metro dalla sorgente. Queste chiamate rientrano nella gamma di livello sonoro di “intollerabile” nella tabella sopra. Quanto lontano potrebbe portare un suono come questo? Bene, usando la legge quadrata inversa possiamo stimare che una chiamata di 112 dB a 1 m sarebbe di circa 46 dB a 2.048 m dalla sorgente. Attraverso esperimenti di riproduzione, Karen McComb ha dimostrato che durante il giorno gli elefanti sono in grado di rilevare sia queste chiamate che di riconoscere le voci di particolari individui fino a 1-1, 5 km e occasionalmente fino a 2.5 km dalla sorgente!

Succede qualcosa di interessante alla trasmissione del suono in diversi momenti della giornata. Sulla savana, è stato dimostrato che le condizioni ambientali seguono un ciclo diurno piuttosto regolare. Verso sera una forte inversione di temperatura di solito si forma e non si dissipa fino all’alba. Le maggiori aree chiamanti si ottengono durante la formazione e la dissoluzione di queste inversioni notturne, specialmente con tempo senza nuvole e relativamente indisturbato. In tali condizioni è possibile per un elefante avere una gamma di chiamata di 300 km2-un’area quasi la dimensione dell’intero Parco Nazionale di Amboseli! In altre parole un elefante può essere in grado di rilevare le chiamate di un altro elefante quasi 10 km di distanza. Durante il giorno, senza l’aiuto di un’inversione e con fattori come il sole pesante e il vento spesso entrano in gioco, la dimensione dell’area chiamata viene drasticamente ridotta, che va da un paio di dozzine a 150 km quadrati.

Non solo i rumori a bassa frequenza degli elefanti sono adatti per la comunicazione a lunga distanza, ma essendo suoni con una ricca struttura armonica permettono anche agli elefanti in ascolto di calcolare la distanza dell’elefante chiamante. Questo perché a distanza ravvicinata la struttura armonica completa sarà intatta mentre con l’aumentare della distanza le frequenze superiori diventeranno relativamente più deboli lasciando solo le frequenze di gamma inferiore e media a persistere.

Rilevamento del suono

Il limite superiore misurato dell’udito del suono nato dall’aria nei mammiferi varia da 12 kHz (elefanti) a 114 kHz (little brown bat), e il limite inferiore varia da meno di 0,016 kHz (elefanti) a 10,3 kHz (little brown bat), un intervallo di oltre nove ottave.

I mammiferi con teste piccole e orecchie strette e distanziate sono in grado di ascoltare meglio i suoni ad alta frequenza rispetto ai mammiferi con teste grandi e orecchie larghe. I grandi mammiferi sono generalmente specializzati nell’udito a bassa frequenza perché i crani più grandi possono comprendere canali uditivi più lunghi (meatuses), membrane timpaniche più larghe (la membrana che chiude l’orecchio medio dall’esterno) e orecchie medie spaziose. In che modo questi tre fattori favoriscono una maggiore sensibilità alle basse frequenze?

Nelle normali onde sonore dell’udito condotte dall’aria, la membrana timpanica e le ossa dell’orecchio medio (o ossicini) vengono vibrate, producendo così movimenti sulla finestra ovale e cambiando il gradiente di pressione nel liquido cocleare.

Una difficoltà con suono a bassa frequenza è il rapporto segnale-rumore. Nelle frequenze più basse tende ad esserci un livello più alto di rumore di fondo, e quindi gli animali specializzati nell’udito a bassa frequenza devono avere un modo per distinguere il segnale dal rumore. La quantità di energia sonora raccolta dalla membrana timpanica aumenta con l’aumentare dell’area della membrana, migliorando così il rapporto segnale rumore a livello dell’orecchio interno. Quindi, più grande è la membrana timpanica, meglio un animale è in grado di ascoltare a basse frequenze. Le minuscole ossa dell’orecchio medio, o ossicini (il malleus, incus e staffa), devono essere in grado di resistere alle maggiori forze prodotte dalle vibrazioni di una membrana timpanica più grande, e così gli animali con grandi membrane timpaniche hanno anche massicce (relativamente!) ossicini dell’orecchio medio. Un incus di un elefante africano femmina adulta (raccolto da Joyce dal cranio di un elefante di nome Emily che morì nel settembre 1989 quando aveva 39 anni) pesava 237 mg. Il martello e la staffa di questo elefante sono stati stimati da Nummela e colleghi per essere 278 mg e 22,6 mg, rispettivamente, e la membrana timpanica area 855 quadrato mm.

Grande membrane timpaniche, tuttavia, un problema: Mammiferi membrane timpaniche sono estremamente sottili e il rischio di graffiare e rovinare loro potrebbe avere impedito timpanica membrane dei più grandi mammiferi dell’evoluzione troppo grande. L’enorme cranio dell’elefante, tuttavia, ha permesso l’evoluzione di un condotto uditivo esterno di circa 20 cm di lunghezza, fornendo un’adeguata protezione per la sua membrana timpanica molto grande. Poiché le grandi ossa dell’orecchio medio di elefante non impediscono la trasmissione delle basse frequenze e la grande membrana timpanica consente alti rapporti segnale-rumore, l’orecchio medio di elefante riflette un adattamento speciale all’udito a bassa frequenza.

Infine, un’altra struttura dell’orecchio dell’elefante, la coclea, può facilitare l’udito a bassa frequenza. Insieme ai loro parenti i Sireni (i dugonghi e lamantini), gli elefanti sono unici tra i mammiferi moderni per essere tornati a una struttura cocleare simile a un rettile che può facilitare una maggiore sensibilità alle frequenze più basse. Poiché la struttura cocleare dei rettili facilita una forte sensibilità alle vibrazioni, è stato suggerito che la struttura simile negli elefanti possa consentire loro di rilevare anche i segnali vibrazionali.

Quindi, con tutti questi adattamenti speciali, quanto in basso possono sentire gli elefanti? L’unico studio sulla sensibilità dell’udito degli elefanti è stato effettuato su un elefante asiatico. Sfortunatamente, lo studio è stato completato un paio di anni prima che si sapesse che gli elefanti producono suoni a frequenza molto bassa e suoni a frequenza estremamente bassa non sono stati testati. Ma sappiamo da questo studio che gli elefanti hanno un udito molto buono nell’intervallo infrasonico (al di sotto dell’udito umano). Questo particolare elefante, una femmina asiatica giovanile, era in grado di sentire fino a 16 Hz a 65 dB. Poiché 65 dB può essere descritto come un suono da moderato a rumoroso, presumibilmente gli elefanti possono sentire significativamente più bassi di questo. Joyce ha registrazioni di chiamate di elefanti a partire da 8 Hz e altre persone hanno segnalato chiamate a partire da 5 Hz, quindi è probabile che gli elefanti abbiano un modo di rilevare queste frequenze estremamente basse altrimenti perché dovrebbero produrle? Studi recenti hanno dimostrato che i rumori degli elefanti vengono trasmessi anche attraverso il terreno, o sismicamente. Se un giorno apprendiamo che gli elefanti non sono in grado di sentire fino a 5 Hz, potremmo scoprire che invece raccolgono questi suoni con l’aiuto dei loro piedi sensibili (puoi leggere di più su questo sotto la comunicazione sismica).

All’altra estremità della scala, gli elefanti sono in grado di sentire sopra 12 kHz che li rende l’animale con il più basso limite di udito ad alta frequenza di qualsiasi mammifero testato.

Localizzazione del suono

Gli elefanti sono molto bravi a localizzare i suoni. È stato suggerito che più grande è lo spazio tra le orecchie di un animale (la distanza interaurale) migliore è la capacità di localizzare il suono perché la differenza nel tempo e nell’intensità di un suono che raggiunge ogni orecchio può essere utilizzata come spunto per localizzare il suono. Gli elefanti estendono le orecchie perpendicolarmente alla testa per localizzare meglio i suoni.

Un elefante asiatico giovanile il cui udito è stato testato è stato in grado di localizzare clic e esplosioni di rumore entro 1 grado. Era meno brava a distinguere i toni, ma era meglio in grado di distinguere i toni a frequenza più bassa rispetto ai toni a frequenza più alta; al di sotto di circa 300 Hz era in grado di localizzare il tono entro 10 gradi con una precisione del 75%, 20 gradi con una precisione dell ‘ 80% e 30 gradi con una precisione del 90%.