Sperm Whale Sound Production: How do the whales produce “farting” noises? What sound of whale have anything to do with speakers amplifier?

Baby whale is a size of the bus. When you look into anatomy of the whales you need to look on top of their head, because their nose is on the top of their head and they breathe through that. Not all of the whales have two nostrils. Dolphins (considered as a small whale) has only one nostril on the top of their head. The sound coming from the dolphin resembles farting. There is also a pulsed sound = echolocation (sonar). What they actually do is called echolocation, which is making these series of pulses and it uses it like a bat uses sonar (in case of bat radar, but underwater it’s sonar). So these animals use sonar to see its world in sound. Trying to understand how it works you have to look at it as f you were looking at the amplifier speakers of a sound system. The small-toothed whales are basically the “tweeters” and the sound is coming from that little nose that’s moving back and forth and coming put of their forehead. When you look at the big whales they are kind of like the “woofers”, the big speakers that you have in an amplifier system. Their sound is coming out of the throat.

The sound is modified in a junk organ. The final sound is incredibly loud. Sperm whale can click about 236 dB (human ear drums burst at 150 dB, our pain threshold 110 dB’s). It is considered by the loudest noise any animal can make. The males produce sound called – the clang, which a very, very loud, very intense sound. Sperm whales have many patterns of clicks that make up their complex language. The most common are:
– clicks used for longe-range echolocation, like sonar
– close range creaks when prey capture is coming
– “Codas” are distinct patterns of clicks most often heard when whales are socialising [sound of morse code]


– They can hear each other in the ocean from hundreds/ thousands miles away. Some researcher believes that they can keep in touch with each other through these clicks on other sides of the planet.
– The clicks are so powerful that can destroy human eardrum and vibrate human body to death. So hanging out with whales in the water is a bit sketchy
– They use clicks not only for ecosystem but also communication and their language might be more sophisticated than humans
– The sperm whale’s brain is six times a size of ours
– They also have a neocortex. In humans the neocortex is connected to carry higher functions like conscious thought, future planning and language. The sperm whale’s neocortex is six times the size of ours.
– They also have spindle cells (long and highly developed brain structures that neurologist associates with compassion, love, suffering and speech. Spindle cells make humans to be different from apes. Sperm whales have them in a far larger quantity than humans and had them for 15 million years longer than we have.

References:
1. https://anatomypubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/epdf/10.1002/ar.20541
2. https://www.fisheries.noaa.gov/species/sperm-whale
3. https://www.orcaireland.org/deep-diving-adaptations-in-the-sperm-whale

Sound Artists

I discovered a few sound artists which helped me to understand a topic of noise pollution in the ocean:

1) Jana Winderen
“Hopefully I will leave less stuff on the planet when I leave”. She talks about bringing the experience,  instead of owning objects. The sounds are stressing us on a subconscious level. The sounds are poured into the water as well without knowing. 

Storytelling, layers, sections, travels.
First layer: describes larger areas with lower frequency and greater scope,
Another layer: going a bit closer
Third layer: focuses on deatails
Experience of swimming and being inside the water

Her research question stands: How does the composition of multichannel audio installations contribute to raising awareness of underwater noise pollution? What are the impacts on individuals experiencing these immersive sonic environments?

If humans beings are incensed by the cacophony of construction, lawn work and traffic, why would we suspect sea creatures to be any different? 

In her work “The art of listening: under water”, Winderen used sounds recorded in Atlantic Ocean, as well as from the Barents Sea and the Tropical Oceans.


https://janawinderen.bandcamp.com/album/the-blue-beyond


2) Manja Ristić – violinist, sound artist, curator and researcher 


In her opinion the noise pollution is the tip of the iceberg of the Anthropocene. The effect of underwater noise pollution is not only causing long-term damage to marine life, but to humans as well.
“If the frequency pattern of the noise is overlapping with the particular frequency range in which a certain species are communicating, they simply are not capable of finding each other anymore. They become vulnerable, unprotected, and with significantly less chance to breed. If the frequency pattern of the noise is overlapping with the hearing range that enables them to use biosonar, they get lost or disorientated, unable to avoid solid obstacles and follow the group they belong to. The noise is literally blinding them. If the frequency pattern of the noise is overlapping with their inherited “database” of sound-detecting predators they are constantly moving away from the potential danger, prioritising being safe over feeding.”

3) Leah Barclay – sound artist, interdisciplinary researcher (in field of sound, science and technology).

Joined the “Ocean Listening” research project, where she explored creative ways to use underwater sounds to highlight and bring the awareness of ocean health. The project looks at how sound can engage people and increase understanding of the importance of oceans.



References:
1. https://acloserlisten.com/2023/07/21/jana-winderen-the-blue-beyond/
2. https://15questions.net/interview/fifteen-questions-interview-manja-ristic/page-1/
3. https://leahbarclay.com/
4. https://oceans21.org/en/projects/seaphony/

Reflexion und Ausblick Einzelprojekt Smounds

Nach Erstellung des Prototyps kam ich zu der Erkenntnis, dass eine Fortführung des Projekts sinnvoll ist.
Die Arduino-Vernebler eigneten sich dazu, einen Proof of Concept zu liefern. Die Notwendigkeit, Basics im Arduino Coden zu erlangen, war sicherlich im Sinne eines Studierendenprojekts, da somit Wissenszuwachs generiert werden konnte. Um die Installation jedoch auf eine nächste stabilere Stufe zu heben, ist aktuell die Überlegung diese durch handelsübliche Duft-Vernebler zu ersetzen. Diese sind einfacher zu handhaben und effektiver in der Verneblung. Mit einer passenden Verkleidung kann auch die notwendige Ästhetik erreicht werden. Die Steuerung müsste dann jedoch auf anderem Wege geschehen. Dies scheint zunächst recht einfach, da ja bloß Strom an und aus notwendig ist, die Herausforderung besteht jedoch darin, die Kommunikation mit einem Soundplayer zu ermöglichen. Die grundsätzliche Funktion der besagten Geräte beruht ebenfalls auf Ultraschallmembranen, die Wasser vernebeln. Unterhalb der Membranen befindet sich ein kleiner Ventilator, der den Nebel nach oben durch eine kleine Öffnung über dem Wassertank leitet. Unten ein möglicherweise geeignetes Gerät:

Geplant ist, die Düfte innerhalb einer kleinen Kabine zu emitieren, eine gute Soundanlage soll ein entsprechendes Klangerlebnis erzeugen. Das Ziel ist, die weiterentwickelte Installation im Austellungskontext zugänglich zu machen.

Konstruktion Einzelprojekt Smounds

Nachdem Hardware und Software der Installation funktionierten, kam die Aufgabe eine praktische und (für einen Prototypen) einigermaßen ästhetische Montage zu konstruieren. Im Sinne der Nachhaltigkeit und Ökonomie griff ich ausschließlich auf Materialreste, die in der Werkstatt der FH Joaneum zu finden waren, zurück.

Als Basis dient eine Holzplatte. Auf einem am Brett verschraubten Steg ist die Elektronik der Vernebler befestigt, um diese auf eine passende Höhe zu heben. Auf einer kleinen “Bühne” stehen die beiden Wassergefäße, dazwischen ein Teil einer Löthilfe, durch deren Klammern ich die Vernebler in einer passenden Position fixieren kann (das ist notwendig, weil die Positionierung etwas aufwendig ist und ein kleines Verrutschen der Membranen bereits die Verneblung negativ beeinflusst).
Die “Als Basis dient eine Holzplatte. Auf einem am Brett verschraubten Steg ist die Elektronik der Vernebler befestigt, um diese auf eine passende Höhe zu heben. Auf einer kleinen “Bühne” stehen die beiden Wassergefäße, dazwischen ein Teil einer Löthilfe, durch deren Klammern ich die Vernebler in einer passenden Position fixieren kann (das ist notwendig, weil die Positionierung etwas aufwendig ist und ein kleines Verrutschen der Membranen bereits die Verneblung negativ beeinflusst). Die Bühne ist nicht fixiert, das erleichter die Positionierung der Membranen. Als Überbau dient eine Art Dach/Trichter. Die Basis ist aus Holz gefertigt und das Dach aus schwarzem Karton. Das Konstrukt ist ebenfalls nicht auf der Grundplatte befestigt, sondern wird einfach darauf gestellt. Dies dient einerseits der Erleichterung der Positionierung der Vernebler, da die Bewegungsfreiheit der Hände beim Ausrichten eingeschränkt wäre, und dem einfachen Transport. Grundplatte, Steg und Bühne sind jeweils mit schwarzem Papp verkleidet, das mit Sprühkleber befestigt ist. Um das Aufweichen der Verkleidung durch verschüttetes Wasser zu vermeiden, stehen die Glasschalen auf Metalluntersetzern.
Unten nun einige Fotos des Konstruktionsprozesses:

Abschließend noch ein kurzes Video der Installation in dunklen Lichtverhältnissen:

Code Einzelprojekt Smounds

Um gleichzeitig Gerüche und Sounds zu triggern entschied ich mich dafür, die Grove Vernebler über einen Arduino Code zu steuern (naheliegend in diesem Fall) und die Sounds über ein Pure Data Patch abzuspielen.

Der Arduino Code ist recht simpel: Digital Pins werden als Input definiert (Touchsensoren) Analog Pins als Output (Vernebler). Zusätzlich ist ein Delay implementiert, der die Länge der Aktivität der Vernebler steuert. “Serial.write” dient zur Kommunikation mit dem Pure Data Patch (siehe weiter unten).

Das Pure Data Patch dient dazu, die von mir produzierten Sounds randomisiert abzuspielen, sobald ein Duft aktiviert wird. Das Subpatch [playaudiofile~] dient dazu, die Soundfiles zu starten und zu stoppen. Über die Messages p_smound_negativ.wav (z.B.) wird der entsprechende Sound eingelesen. Wie oben erwähnt, musste ich einen Weg finden, den Input vom Arduino Board an das Pure Data Patch zu liefern. Hier erwies sich das Objekt [comport] als nützlich, das Daten des Usb-Ports empfangen kann. Wird ein Touch Sensor aktiviert, empfängt das Objekt den Wert “1”. Mit dem Objekt [sel 1] wird jedes Mal, wenn der Wert “1” empfangen wird ein [bang] Befehl gesendet, das in weiterer Folge das [random] Objekt triggert, welches wiederum einen zufälligen Zahlenwert zwischen 0 und 6 ausgibt. Um den Wert 0 zu vermeiden, wird zum Ergebnis 1 addiert. Anschließend kommt wieder das [sel] Objekt zum Einsatz und triggert die entsprechenden Soundfiles.

Hardware Smounds Einzelprojekt

Für mein Einzelprojekt habe ich einen kleinen “Apparat” gebaut, der gleichzeitig Sounds abspielen und Düfte in die Luft verdampfen kann. Die Idee war, angenehme/unangenehme Sounds mit “guten” und “schlechten” Gerüchen zu kombinieren um herauszufinden, ob sich hier Gegenwirkungen ergeben.

Der Sound wurde über ein Pure Data Patch auf einem Laptop laufend abgespielt (dazu mehr im nächsten Blogeintrag). Die Düfte über einen Ultraschallvernebler riechbar gemacht.

Als Vernebler kamen “Grove – Water Atomization-Kits” zum Einsatz. Das sind kleine Ultraschallmembranen, die durch eine sehr hohe Frequenz aus Wasser Nebel erzeugen. Die Vernebler sind mit Arduino Boards kompatibel und werden über einen Arduino Code gesteuert (siehe nächster Blogeintrag). Ebenfalls notwendig ist ein Touchsensor, mit dem die Verneblung aktiviert wird.

Symbolbild von Grove

Als Düfte kamen ätherische Öle und Parfümaromen zum Einsatz. Der gute Geruch war Zitrusfrucht, als schlechten Duft habe ich das Parfümaroma “Leder” herangezogen.

DIe Herausforderung war nun, geeignete Gefäße zu finden, in denen die Vernebler platziert werden und einen ausreichend starken Nebel erzeugen können. Nach eingen Experimenten fiel die Wahl auf flache Glassschalen, ähnlich Petrischalen. In den Schalen lagen dünne Küchenschwämme, so lagen die Vernebler stabil auf und der Wasserstand in den Gefäßen konnte so kontrolliert werden, dass ein gutes Ergebnis erzielt werden konnte.

Um eine Verneblung der Düfte in Richtung der/des Nutzer:in zu ermöglichen wurde eine Art Trichter gebaut, der das Austreten des Nebles nach hinten und seitlich verhindert. (Dazu mehr im übernächsten Blogeintrag betreffend Konstruktion).

Die Sounds bestanden aus monoten “schrillen” synthetischen Klängen und als Gegenpart aus angenehmen harmonischen, “friedvollen” Klangebenen.

Das finale Produkt und Ausblick

Das Ergebnis ist im folgenden Video zu sehen:

In dieser Version läuft das Processing noch über meinen Laptop. Ein weiterer Schritt wäre also, ein Bela Board zu verwenden. Leider lässt sich das Objekt dfreq~ nicht einfach auf Bela verwenden. Man müsste es vorher kompilieren, wozu die Zeit leider nicht ausgereicht hat.

Ein weiterer wichtiger Punkt für die Weiterentwicklung wäre, ein stabileres Theremin zu bauen, das auch über eine weitere Pitchrange verfügt.

Ein potentieller Zweck dieser Klangskulptur würde sichf vor allem in interaktion mehrerer Becken und mehrerer Besucher einer solchen Installation herausstellen.

PD Patch Erweiterung

Da ich mit dem klanglichen Ergebnis der Additiven synthese zufrieden war wurde daraus ein Konzept entwickelt: zum einen wird die Additive Synthese mit 14 Oszillatoren verwendet, welche in Tonhöhe und lautstärke randomisiert moduliert werden.

Im Anschluss soll eine zweite nicht-harmonische “Klanglandschaft” erstellt werden, der Abstand der Hand zum Becken wird genutzt um zwischen diesen hin und her zu mischen.

Auf diese Art und weise sollen die Verschiedenen entsehenden Schwebungen spielbar werden. Die Geschwindigkeit der Handveränderung öffnet zusätzlich ein Filter, was eine weitere Dimension der Spielbarkeit zulässt.

die Randomisierung ist hier zu sehen:

Processing via PD

Wie Anfangs geplant soll das Audiosignal des Theremins mit Puredata verarbeitet werden und eine Klangsynthese stattfinden. Die Frequens wird mit dfreq~ gemessen, welches aus der Zexy extension kommt.

Die überlegungen eines physical modelings als ynthesetechnik wurde verworfen, da sie gelayert mir der Physik des Schlagzeugbeckens nicht viel Sinn gemacht hat. Es sollten allerdings stehende Klänge und Drones verwendet werden. Aus Klangästhetischen Gründen wurde sich auch gegen eine Granularsynthese entschieden.

Ich habe die eigenresonanzen und harmonische Struktur des Beckens analysiert und mittels additiver Synthese diesen Klang nachgebaut.

Modifikation des funktionsfähigen Theremins

Das von W. Ritsch geliehene Theremin musste etwas modifiziert werden um einen Audioausgang statt eines Lautsprechers zu haben und um mit einem 9V Adapter betrieben werden zu können.

Leider ist das Theremin nicht sehr stabil, was im weiteren Verlauf des Projekts noch zu Problemen führen kann. Vor allem das Bias des Oszillators muss konstant nachgeregelt werden. Außerdem mussten ein paar Kabel nachgelötet werden. SChlussendlich hat es aber doch funktioniert: