Mesurer le chœur des cigales périodiques avec des câbles à fibres optiques

Suspendu à un poteau électrique commun, un câble à fibre optique – du genre de câble qui permet à de plus en plus de foyers américains d’accéder à l’Internet haut débit – peut être transformé en capteur pour détecter les changements de température, les vibrations et même le son, grâce à une technologie émergente appelée fibre distribuée. détection optique.

Cependant, comme l’explique Sarper Ozharar, Ph.D., chercheur en photonique à NEC Labs America, la détection acoustique dans les câbles à fibres optiques “est limitée aux sources sonores à proximité ou aux événements très bruyants, tels que les véhicules d’urgence, les alarmes de voiture ou les émergences de cigales”.

Des cigales ? En effet, les cigales périodiques – les insectes connus pour émerger par milliards sur des cycles de 13 ou 17 ans et faire un vacarme collectif avec leurs cris d’accouplement bourdonnants – sont suffisamment bruyantes pour être détectées par une détection acoustique à fibre optique. Et une nouvelle étude de validation de principe montre comment la technologie pourrait ouvrir de nouvelles voies pour cartographier les populations de ces insectes réputés éphémères.

“J’ai été surprise et excitée d’apprendre la quantité d’informations recueillies sur les appels, même si elles se trouvaient à proximité d’une section très fréquentée du comté de Middlesex dans le New Jersey”, a déclaré l’entomologiste Jessica Ware, Ph.D., conservatrice associée et présidente de la division. de zoologie des invertébrés au Musée américain d’histoire naturelle et co-auteur de l’étude, publiée dans le journal de l’Entomological Society of America. Journal de la science des insectes.

Comme l’expliquent les chercheurs dans leur rapport, la détection distribuée par fibre optique est basée sur la détection et l’analyse de la « rétrodiffusion » dans un câble. Lorsqu’une impulsion optique est envoyée à travers un câble à fibre optique, de minuscules imperfections ou perturbations dans le câble font rebondir une petite fraction du signal vers la source.

Le timing de l’arrivée de la lumière rétrodiffusée peut être utilisé pour calculer le point exact le long du câble à partir duquel elle a rebondi. Et la surveillance de la variation de la rétrodiffusion dans le temps crée une signature de la perturbation qui, dans le cas de la détection acoustique, peut indiquer le volume et la fréquence du son.

Un seul capteur peut également être déployé sur un énorme segment de câble ; les chercheurs proposent un exemple de câble de 50 kilomètres doté d’un capteur capable de détecter l’emplacement des perturbations à une échelle aussi précise que 1 mètre. “Cela équivaut à installer 50 000 capteurs (acoustiques) dans la région surveillée, qui sont intrinsèquement synchronisés et ne nécessitent pas d’alimentation électrique sur site”, écrivent-ils.

En 2021, Brood X, la plus grande de plusieurs populations de cigales qui émergent sur des cycles de 17 ans, est sortie de terre dans au moins 15 États et dans le district de Columbia dans les régions du Midwest et du centre de l’Atlantique des États-Unis, y compris New York. Jersey, où Ozharar travaille chez NEC Laboratories America, Inc. Là-bas, Ozharar et ses collègues ont utilisé l’appareil de test de détection de fibre de NEC (câble tendu sur trois poteaux électriques de 35 pieds sur le terrain du laboratoire de NEC à Princeton) pour voir s’ils pouvaient détecter et analysez le son des cigales Brood X bourdonnant dans les arbres à proximité entre le 9 et le 24 juin de la même année.

Effectivement, le bourdonnement des cigales était évident. Il est apparu comme un signal fort à 1,33 kilohertz (kHz) via la détection à fibre optique, qui correspondait à la fréquence de l’appel des cigales mesurée avec un capteur audio traditionnel placé au même endroit.

Les chercheurs ont également observé que la fréquence maximale des cigales variait entre 1,2 kHz et 1,5 kHz, une tendance qui semblait suivre les changements de température sur le site de test. L’intensité globale du bourdonnement des cigales a également été observée grâce à la détection par fibre optique, et le signal a diminué au cours de la période de test, à mesure que le chœur des cigales atteignait son apogée puis s’estompait lorsqu’elles atteignaient la fin de leur période de reproduction.

“Nous pensons qu’il est vraiment passionnant et intéressant que cette nouvelle technologie, conçue et optimisée pour d’autres applications et apparemment sans rapport avec l’entomologie, puisse soutenir les études entomologiques”, déclare Ozharar. En effet, les capteurs à fibre optique sont multifonctionnels, ce qui signifie qu’ils peuvent être installés et utilisés à de nombreuses fins, détectant des cigales un jour et d’autres perturbations le lendemain.

Ware affirme que la détection par fibre optique pourrait bientôt jouer un rôle dans la détection de divers insectes. “Les cigales périodiques constituaient une cohorte bruyante captée par ces systèmes, mais il sera intéressant de voir si les mesures annuelles des paysages sonores et des vibrations des insectes pourraient être utiles pour surveiller l’abondance des insectes dans une zone au fil des saisons et des années”, dit-elle.

En ce qui concerne les cigales périodiques, on sait que plus d’une douzaine de couvées émergent au cours de différentes années et dans différentes régions de l’est des États-Unis. Le réseau croissant d’infrastructures de fibre optique dans le pays – avec un accès Internet par fibre disponible à plus de 40 % des foyers américains à partir de 2022, selon la Fiber Broadband Association – pourrait être intégré aux efforts des entomologistes pour observer et mesurer ces émergences au fil du temps.

“Grâce au développement fulgurant de l’accès à haut débit et des télécommunications, les câbles à fibre optique sont omniprésents dans les communautés, tissant un vaste réseau qui non seulement fournit un accès Internet haut débit, mais sert également de base à la prochaine génération de technologies de détection”, a déclaré Ozharar.

Les cigales Brood X resteront sous terre jusqu’en 2038. Leurs brèves apparitions et leur nombre massif en font un défi à étudier, mais le long intervalle entre leurs arrivées permet aux entomologistes de faire des progrès technologiques importants entre-temps. En 2021, Brood X a été observé dans un volume sans précédent grâce à une application mobile pour smartphone, une méthode à peine concevable lorsque Brood X était apparu pour la dernière fois en 2004. D’ici 2038, la détection par fibre optique pourrait bien être la prochaine voie menant à une avancée similaire.