廈門和雷州灣海域中華白海豚click信號的分析與比較

汪啟銘，許肖梅＊，蘇冠龍，蘇海濤

（1.廈門大學(xué)海洋與地球?qū)W院，福建 廈門361102；2.廈門大學(xué)水聲通信與海洋信息技術(shù)教育部重點實驗室，3.廈門大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，福建 廈門361005）

中華白海豚（Sousa chinensis）是國家一級保護(hù)動物，被國際自然保護(hù)聯(lián)盟IUCN列為“近?！蔽锓N［1］，也是瀕危野生動植物物種國際貿(mào)易公約（CITES）附錄Ⅰ物種.中華白海豚喜歡生活在水深20m左右的淺海海域，我國的中華白海豚主要分布于南方近海，北起長江口，南下浙江南部、福建、廣東、海南和廣西沿岸海域均有中華白海豚的蹤跡［2］.

國內(nèi)對中華白海豚的研究大多集中在其種群分布及遺傳學(xué)方面［1，3］.由于中華白海豚通過發(fā)射與接收聲學(xué)信號進(jìn)行水下目標(biāo)的探測、情感的表達(dá)與交流，研究它們的聲學(xué)特性具有非常重要的意義.近年來，對中華白海豚聲學(xué)特性的研究逐漸增多.美國西南漁業(yè)科學(xué)研究中心Goold等［4］2004年在香港大嶼山島附近海域偶然記錄到若干只中華白海豚的click信號，但只是從時域和頻域方面對信號進(jìn)行了粗略的分析.2010年Sims等［5］同樣在香港大嶼山島附近海域記錄到了大量的中華白海豚的click信號，發(fā)現(xiàn)部分click信號脈沖串中click信號時間間隔相同，部分則不斷變化，根據(jù)這個特性把click信號脈沖串分為等時間間隔click信號脈沖串和不等時間間隔click信號脈沖串兩類.2012年牛富強等［6］對廈門海域的中華白海豚click信號進(jìn)行了記錄分析，重點分析了click信號的頻域特性，如帶寬、頻譜等.在中華白海豚聽閾方面，2011年李松海等［7］對中國南寧海豚館一頭圈養(yǎng)的中華白海豚聽閾值進(jìn)行過測量，實驗結(jié)果表明這只中華白海豚的聽閾曲線圖大體呈“U”字形，在45kHz處聽覺靈敏度最高，但實驗對象僅局限于動物園中單只中華白海豚.

本文根據(jù)中華白海豚click信號所包含完整波形的個數(shù)，對click信號進(jìn)行分類.分析比較了廈門和雷州灣海域中華白海豚的click信號聲學(xué)特性，包括click信號時長、時間間隔以及峰峰聲源級.分析比較不同海域中華白海豚的聲學(xué)特性，不僅對于仿聲聲納技術(shù)的開發(fā)、中華白海豚聲學(xué)保護(hù)政策的制定具有十分重要的意義，而且能從聲學(xué)角度為區(qū)分中華白海豚的種群特征提供一定的借鑒.

1 中華白海豚click信號的基本特征

中華白海豚發(fā)射click信號的數(shù)量和click信號之間的時間間隔取決于一系列的因素：中華白海豚與所探測目標(biāo)之間的距離，探測目標(biāo)的難易程度，目標(biāo)的存在與否，以及對找到特定目標(biāo)的期待程度［8］.一個click信號串中click信號時間間隔也是在不斷變化的.Au等［9］在1974年對兩頭大西洋寬吻海豚（Tursiops truncatus）click信號的時間間隔進(jìn)行初步探索，大西洋寬吻海豚與所探測目標(biāo)的距離為55～73 m，實驗結(jié)果表明不同click信號之間時間間隔是不斷變化的，但這種變化很有規(guī)律性，即時間間隔長度值在不斷地上下波動.Au實驗室共進(jìn)行了4次關(guān)于探索大西洋寬吻海豚click信號時間間隔與探測距離之間關(guān)系的實驗.在這些實驗中，當(dāng)探測距離為0.4～120m時，click信號時間間隔在20～190ms變動；且隨著探測距離的增加，click信號之間的時間間隔呈現(xiàn)增加的趨勢.

不同種類海豚的click信號時間長度是不同的.Au等［9］對大西洋寬吻海豚的click信號時長進(jìn)行研究，研究結(jié)果表明它們的click信號時長分布在50～80μs內(nèi).Mohl等［10］對鼠海豚（Phocoena phocoena）的click信號時長進(jìn)行研究，結(jié)果表明其click信號時長分布在130～260μs內(nèi).李松海等［11］對長江江豚（Neophocaena phocaenoides asiaeorientails）的click信號時長進(jìn)行統(tǒng)計分析，他們從一系列的click信號串中隨機抽取出共548個click信號，得出長江江豚click信號時長分布在30～122μs內(nèi)，平均值為（68.00±14.12）μs.牛富強等［6］對廈門海域中華白海豚551個click信號時長進(jìn)行統(tǒng)計分析，得出其click信號的平均時長為（33±4）μs.

中華白海豚click信號的聲源級與水下環(huán)境背景噪聲級及擬探測的目標(biāo)性質(zhì)有關(guān)，一般隨著水下背景噪聲級的增加而提高，隨目標(biāo)反射強度的減弱而增加.中華白海豚click信號的聲源級有較大的動態(tài)分布范圍，戶外開放海域中大西洋寬吻海豚click信號聲源級往往高于室內(nèi)的大西洋寬吻海豚發(fā)射聲源級.隨著探測目標(biāo)距離的增加，大西洋寬吻海豚所發(fā)射的click信號的聲源級也在相應(yīng)的提高，但是提高的幅度并不大，往往無法補償信號傳播過程中的能量損失［8］.Aubauer等［12］研究表明，大西洋寬吻海豚的click信號峰峰聲源級可高達(dá)228dB，飛旋海豚（Stenella longirostris）的click信號峰峰聲源級可高達(dá)219dB.

2 研究對象及方法

2.1 研究對象

課題組于2011年8月和2012年9月分別對廣東雷州灣和福建廈門2個不同海域的中華白海豚的聲信號進(jìn)行野外采集（如圖1）.為防止驚擾游動中的中華白海豚，調(diào)查船和中華白海豚的距離保持在50～300 m的范圍內(nèi).待中華白海豚活動狀態(tài)相對穩(wěn)定，關(guān)閉調(diào)查船的發(fā)動機，并迅速布置好實驗儀器進(jìn)行錄音.在福建廈門海域共記錄到約10頭中華白海豚的聲信號，在廣東雷州灣共記錄到約40頭中華白海豚的聲信號.

圖1 野生中華白海豚錄音海域位置圖Fig.1 The map of the study sites at which free－ranging S.chinensis vocalizations were recorded

2.2 研究方法

2.2.1 實驗儀器

采用丹麥B＆K公司生產(chǎn)的8105水聽器（電壓靈敏度為56μV／Pa）作為前端輸入，利用B＆K 2692 NEXUS適配放大器對信號進(jìn)行放大，然后通過NI DAQ 6062E高速數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行中華白海豚聲信號數(shù)據(jù)采集，最后把數(shù)據(jù)儲存在聯(lián)想PC中進(jìn)行終端信號存儲與處理，采集系統(tǒng)的程序框圖如圖2.

圖2 中華白海豚聲學(xué)信號采集系統(tǒng)流程圖Fig.2 Schematic of vocalization aquisition system for S.chinensis

2.2.2 數(shù)據(jù)處理方法

首先利用MATLAB讀入所記錄的數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進(jìn)行高通濾波處理，濾除1kHz以下頻段背景干擾噪聲；其次，利用MATLAB畫出click信號的時域圖，粗略地估計出click信號的時間范圍，并對包含click信號的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲；最后，把已存儲的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為wav格式，導(dǎo)入Adobe Audition 3.0進(jìn)行更加細(xì)化的分析和統(tǒng)計.

3 數(shù)據(jù)結(jié)果及分析

3.1 2個海域中華白海豚click信號特性分析及對比

圖3 中華白海豚click信號串以及5種單個click信號放大圖Fig.3 Time－domain plot of click train and five different kinds of single click of S.chinensis

從2個海域采集到的click信號中各提取出500個信噪比高的單個click信號進(jìn)行統(tǒng)計分析.如圖3，廈門海域中華白海豚相鄰click信號的時間間隔變化范圍較大，為7.8～349.2ms（n＝379），而廣東雷州灣中華白海豚相鄰click信號間的時間間隔變化范圍較小，為3.3～124.3ms（n＝496）.從時域上來看，click信號由單個或者多個波形組成.根據(jù)構(gòu)成單個click信號的波形數(shù)量，把click信號分為以下5類：含1個、2個、3個、4個和5個及以上波形click信號.

表1中的統(tǒng)計結(jié)果表明：廈門和雷州灣海域的中華白海豚click信號均以含5個及以上波形的click信號為主，數(shù)量分別占總數(shù)的68.6%和69.0%.含1個波形的click信號數(shù)量所占比例均較小，分別為總數(shù)的1.6%和1.8%.中華白海豚的click信號時長定義為click信號脈沖信號起振點與停振點之間的時間差，click信號起振點幅度恰好高于背景噪聲幅度，click信號停振點幅度恰好低于背景噪聲幅度.各個種類的click信號時長均值見表1.利用t檢驗對2個海域的同種click信號進(jìn)行差異檢驗，設(shè)置顯著水平0.05，計算概率p值，若p＜0.05則差異顯著，否則差異不顯著.t檢驗結(jié)果表明：2個海域中華白海豚click信號包含波形數(shù)量在3個及以下的，click信號時長差異不顯著（p值均大于0.05），含4個波形的差異顯著（t檢驗，t＝3.39，DOF＝84，p＜0.05），含5個及以上波形的差異也顯著（t檢驗，t＝－10.01，DOF＝682，p＜0.05）.因為廈門和雷州灣海域click信號含4個及以上波形的數(shù)量均占有絕對的優(yōu)勢，分別為84.2%和77.6%，故從總體上來看，廈門和雷州灣海域中華白海豚的click信號時長是具有顯著差異的.

表1 2個不同海域中華白海豚各類click信號所占比例及平均時長Tab.1 Proportion and mean duration for click of S.chinensis from two seas

3.2 2個海域中華白海豚聲源級的分析及比較

3.2.1 中華白海豚單個click信號多徑傳播

圖4記錄了中華白海豚click信號多徑傳播的結(jié)果，第1個脈沖為直達(dá)的click信號，第2個脈沖為經(jīng)海面反射得到的click信號，第3個脈沖為經(jīng)海底反射得到的click信號，不同脈沖的幅值和相位有所差別.存在直接證據(jù)表明，根據(jù)水下聲傳播特性，此種多脈沖現(xiàn)象往往是來源于click信號多徑傳播［11］.

中華白海豚的click信號具有指向性，位于聲波束主軸外的click信號在波形上會存在一定程度的失真［8］.若直達(dá)click信號恰好是位于聲波束主軸上，而經(jīng)海面反射和海底反射的click信號分別來自于聲波束主軸外，那么經(jīng)海面及海底反射得到的信號與直達(dá)信號相比，波形上會存在一定程度的失真，再加上信號在傳播過程中介質(zhì)對其的吸收和散射作用，都會導(dǎo)致不同傳輸路徑上的信號波形失真，這就解釋了圖4中3個信號彼此相對存在波形失真的現(xiàn)象.當(dāng)海況良好時，海面反射信號和直達(dá)信號的相位相差180°，海底反射信號和直達(dá)信號的相位差值與海底地質(zhì)及反射角有關(guān)，在0°～180°內(nèi)變動［12］，這是區(qū)分海面及海底反射信號的理論基礎(chǔ).

圖4 中華白海豚click信號的多徑傳播現(xiàn)象Fig.4 The multi－path propagation phenomenon of click of S.chinensis

3.2.2 2個海域中華白海豚峰峰聲源級推算及比較

1）中華白海豚峰峰聲源級推算方法

為分析中華白海豚峰峰聲源級，作出中華白海豚click信號多徑傳播示意圖如圖5所示.海水深度h以及水聽器深度d是已知量，從click信號時域波形圖中可以直接得到直達(dá)脈沖與海面反射脈沖的時間差ts，直達(dá)脈沖與海底反射脈沖的時間差tb，由此推算出發(fā)聲的中華白海豚與水聽器間的距離R.

圖5中ACD 的長度等于AB的長度LAB，AFD的長度等于AE的長度LAE，c為海水中的聲速.聯(lián)立方程（1）～（5）便可求出水聽器與發(fā)聲中華白海豚之間的距離R（見方程（6）），R是推算click信號傳播損失的一個重要參數(shù).

其中，

LAG為水聽器與發(fā)聲中華白海豚的水平距離.

在方程（6）中，方程右邊的參數(shù)都是已知量，這樣就可以求出中華白海豚與水聽器之間的距離R的具體數(shù)值，根據(jù)R可以計算出傳播損失，最終推算出中華白海豚的聲源級.

Au等［9］認(rèn)為海豚的click信號通常只在短短幾百米距離范圍之內(nèi)使用，故可以把click信號的擴展損失當(dāng)作球面擴展損失，從而得到傳播損失TL，方程如下：

方程（7）中，α為聲吸收系數(shù)，它的取值與頻率密切相關(guān)［8］.

由水聲傳播原理可知，淺海聲傳播非常復(fù)雜.根據(jù)聲源到聲接收點處的距離可以把傳播損失分成3段［13］.當(dāng)聲源到聲接收點處的水平距離r＜H／γ時，傳播損失遵循球面擴展規(guī)律，H 代表水深，γ為一特定系數(shù)；當(dāng)H／γ＜r＜16 H3／π2γλ2時，傳播損失遵循3／2次方衰減規(guī)律，λ 為信號波長；當(dāng)r＞16 H3／π2γλ2時，傳播損失遵循柱面擴展規(guī)律.分別計算廈門錄音海域以及雷州灣錄音海域的參數(shù) H／γ、16 H3／π2γλ2并且與水平距離r進(jìn)行比較，結(jié)果顯示r均位于H／γ和16 H3／π2γλ2之間，故傳播損失遵循3／2次方衰減規(guī)律，傳播損失方程修正如下：

接收端的click信號的峰峰聲壓級SPL可以直接得出，然后補償傳播損失，最后可反推出發(fā)聲中華白海豚的峰峰聲源級SL，如方程（9）所示：

圖5 淺海中華白海豚click信號多徑傳輸示意圖Fig.5 The multipath propagation of click of S.chinensis in shallow water

2）2個海域中華白海豚峰峰聲源級比較

根據(jù)上文提到的聲源級推算方法，對兩海域中華白海豚的峰峰聲源級進(jìn)行計算與比較.結(jié)果表明：廈門海域中華白海豚峰峰聲源級最小值為166.9 dB，最大值為199.6dB，平均值為（179.4±8.7）dB.雷州灣中華白海豚峰峰聲源級最小值為188.9dB，最大值為218.3dB，平均值為（204.1±5.4）dB，對3個變量進(jìn)行橫向比較，廈門海域中華白海豚峰峰聲源級均明顯低于雷州灣中華白海豚峰峰聲源級.中華白海豚的聲源級的高低與海洋環(huán)境背景噪聲級的高低密切相關(guān).廈門錄音海域海況極佳，接近0級海況，且整個錄音過程未現(xiàn)降雨，海域附近未觀測到海洋工程施工.廣東雷州灣錄音點海況良好，海況為2級，且整個錄音過程未現(xiàn)降雨，同樣未觀測到海洋工程施工.廣東雷州灣錄音點靠近湛江港，位于航道上，2011年湛江港貨物總吞吐量達(dá)到了1.553 9億t［14］，海上交通十分發(fā)達(dá).而廈門錄音海域靠近英雄三島，錄音過程未觀測到船舶，且偏離主航道.因此可推斷雷州灣錄音點的海洋背景噪聲級要遠(yuǎn)高于廈門錄音海域.為了進(jìn)行抗噪聲目標(biāo)定位，雷州灣中華白海豚需要發(fā)射更高聲源級的click信號.此外，探索或定位目標(biāo)性質(zhì)、中華白海豚的種類、年齡、性別和所生活的水下地理環(huán)境，可能是造成2個海域中華白海豚的聲源級差異顯著的因素.

4 討 論

根據(jù)單個click信號中所含完整波形個數(shù)把click信號分成5類，2個海域中華白海豚的click信號均以含4個及以上波形為主，各自所占數(shù)量比例均在77%以上，含1～3個波形的click信號所占數(shù)量比例很小，尤其是含1個波形的click信號數(shù)量比例均在2%以下.2個海域含4個及以上波形click信號的時長存在顯著差異.廈門海域中華白海豚同一click信號串中相鄰click信號時間間隔變化范圍為7.8～349.2ms，然而在雷州灣的中華白海豚該值為3.3～124.3ms，前者時間變化范圍明顯大于后者.雷州灣中華白海豚的峰峰聲源級平均值為（204.1±5.4）dB，而廈門海域中華白海豚的該值僅為（179.4±8.7）dB，前者明顯高于后者.從以上參數(shù)對比結(jié)果來看，2個海域的中華白海豚click信號存在顯著差異.

對于野生中華白海豚聲源級的研究，目前僅停留在合理性的推算階段，對野生中華白海豚聲源級的現(xiàn)場測量是未來的一個工作方向.野生中華白海豚數(shù)量稀少，并且它們的行為蹤跡有很大的不確定性，這就給野生中華白海豚聲信號采集工作造成了一定的困難.今后要繼續(xù)豐富中華白海豚聲信號的數(shù)據(jù)量，改進(jìn)中華白海豚聲信號的分析方法，從而更加全面準(zhǔn)確地了解中華白海豚聲學(xué)特性.

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