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(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(guó)家一級(jí)保護(hù)動(dòng)物，被國(guó)際自然保護(hù)聯(lián)盟IUCN列為“近?！蔽锓N［1］，也是瀕危野生動(dòng)植物物種國(guó)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(guó)的中華白海豚主要分布于南方近海，北起長(zhǎng)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(guó)內(nèi)對(duì)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(guò)發(fā)射與接收聲學(xué)信號(hào)進(jìn)行水下目標(biāo)的探測(cè)、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(lái)，對(duì)中華白海豚聲學(xué)特性的研究逐漸增多.美國(guó)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(hào)，但只是從時(shí)域和頻域方面對(duì)信號(hào)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(hào)，發(fā)現(xiàn)部分click信號(hào)脈沖串中click信號(hào)時(shí)間間隔相同，部分則不斷變化，根據(jù)這個(gè)特性把click信號(hào)脈沖串分為等時(shí)間間隔click信號(hào)脈沖串和不等時(shí)間間隔click信號(hào)脈沖串兩類.2012年牛富強(qiáng)等［6］對(duì)廈門海域的中華白海豚click信號(hào)進(jìn)行了記錄分析，重點(diǎn)分析了click信號(hào)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(duì)中國(guó)南寧海豚館一頭圈養(yǎng)的中華白海豚聽閾值進(jìn)行過(guò)測(cè)量，實(shí)驗(yàn)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(jué)靈敏度最高，但實(shí)驗(yàn)對(duì)象僅局限于動(dòng)物園中單只中華白海豚.

本文根據(jù)中華白海豚click信號(hào)所包含完整波形的個(gè)數(shù)，對(duì)click信號(hào)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(hào)聲學(xué)特性，包括click信號(hào)時(shí)長(zhǎng)、時(shí)間間隔以及峰峰聲源級(jí).分析比較不同海域中華白海豚的聲學(xué)特性，不僅對(duì)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(hào)的基本特征

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

不同種類海豚的click信號(hào)時(shí)間長(zhǎng)度是不同的.Au等［9］對(duì)大西洋寬吻海豚的click信號(hào)時(shí)長(zhǎng)進(jìn)行研究，研究結(jié)果表明它們的click信號(hào)時(shí)長(zhǎng)分布在50～80μs內(nèi).Mohl等［10］對(duì)鼠海豚（Phocoena phocoena）的click信號(hào)時(shí)長(zhǎng)進(jìn)行研究，結(jié)果表明其click信號(hào)時(shí)長(zhǎng)分布在130～260μs內(nèi).李松海等［11］對(duì)長(zhǎng)江江豚（Neophocaena phocaenoides asiaeorientails）的click信號(hào)時(shí)長(zhǎng)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，他們從一系列的click信號(hào)串中隨機(jī)抽取出共548個(gè)click信號(hào)，得出長(zhǎng)江江豚click信號(hào)時(shí)長(zhǎng)分布在30～122μs內(nèi)，平均值為（68.00±14.12）μs.牛富強(qiáng)等［6］對(duì)廈門海域中華白海豚551個(gè)click信號(hào)時(shí)長(zhǎng)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得出其click信號(hào)的平均時(shí)長(zhǎng)為（33±4）μs.

中華白海豚click信號(hào)的聲源級(jí)與水下環(huán)境背景噪聲級(jí)及擬探測(cè)的目標(biāo)性質(zhì)有關(guān)，一般隨著水下背景噪聲級(jí)的增加而提高，隨目標(biāo)反射強(qiáng)度的減弱而增加.中華白海豚click信號(hào)的聲源級(jí)有較大的動(dòng)態(tài)分布范圍，戶外開放海域中大西洋寬吻海豚click信號(hào)聲源級(jí)往往高于室內(nèi)的大西洋寬吻海豚發(fā)射聲源級(jí).隨著探測(cè)目標(biāo)距離的增加，大西洋寬吻海豚所發(fā)射的click信號(hào)的聲源級(jí)也在相應(yīng)的提高，但是提高的幅度并不大，往往無(wú)法補(bǔ)償信號(hào)傳播過(guò)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(hào)峰峰聲源級(jí)可高達(dá)228dB，飛旋海豚（Stenella longirostris）的click信號(hào)峰峰聲源級(jí)可高達(dá)219dB.

2 研究對(duì)象及方法

2.1 研究對(duì)象

課題組于2011年8月和2012年9月分別對(duì)廣東雷州灣和福建廈門2個(gè)不同海域的中華白海豚的聲信號(hào)進(jìn)行野外采集（如圖1）.為防止驚擾游動(dòng)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(dòng)狀態(tài)相對(duì)穩(wěn)定，關(guān)閉調(diào)查船的發(fā)動(dòng)機(jī)，并迅速布置好實(shí)驗(yàn)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(hào)，在廣東雷州灣共記錄到約40頭中華白海豚的聲信號(hào).

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(shí)驗(yàn)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(duì)信號(hào)進(jìn)行放大，然后通過(guò)NI DAQ 6062E高速數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行中華白海豚聲信號(hào)數(shù)據(jù)采集，最后把數(shù)據(jù)儲(chǔ)存在聯(lián)想PC中進(jìn)行終端信號(hào)存儲(chǔ)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(hào)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(duì)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(hào)的時(shí)域圖，粗略地估計(jì)出click信號(hào)的時(shí)間范圍，并對(duì)包含click信號(hào)的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)；最后，把已存儲(chǔ)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(jì).

3 數(shù)據(jù)結(jié)果及分析

3.1 2個(gè)海域中華白海豚click信號(hào)特性分析及對(duì)比

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

從2個(gè)海域采集到的click信號(hào)中各提取出500個(gè)信噪比高的單個(gè)click信號(hào)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析.如圖3，廈門海域中華白海豚相鄰click信號(hào)的時(shí)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(hào)間的時(shí)間間隔變化范圍較小，為3.3～124.3ms（n＝496）.從時(shí)域上來(lái)看，click信號(hào)由單個(gè)或者多個(gè)波形組成.根據(jù)構(gòu)成單個(gè)click信號(hào)的波形數(shù)量，把click信號(hào)分為以下5類：含1個(gè)、2個(gè)、3個(gè)、4個(gè)和5個(gè)及以上波形click信號(hào).

表1中的統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明：廈門和雷州灣海域的中華白海豚click信號(hào)均以含5個(gè)及以上波形的click信號(hào)為主，數(shù)量分別占總數(shù)的68.6%和69.0%.含1個(gè)波形的click信號(hào)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(hào)時(shí)長(zhǎng)定義為click信號(hào)脈沖信號(hào)起振點(diǎn)與停振點(diǎn)之間的時(shí)間差，click信號(hào)起振點(diǎn)幅度恰好高于背景噪聲幅度，click信號(hào)停振點(diǎn)幅度恰好低于背景噪聲幅度.各個(gè)種類的click信號(hào)時(shí)長(zhǎng)均值見表1.利用t檢驗(yàn)對(duì)2個(gè)海域的同種click信號(hào)進(jìn)行差異檢驗(yàn)，設(shè)置顯著水平0.05，計(jì)算概率p值，若p＜0.05則差異顯著，否則差異不顯著.t檢驗(yàn)結(jié)果表明：2個(gè)海域中華白海豚click信號(hào)包含波形數(shù)量在3個(gè)及以下的，click信號(hào)時(shí)長(zhǎng)差異不顯著（p值均大于0.05），含4個(gè)波形的差異顯著（t檢驗(yàn)，t＝3.39，DOF＝84，p＜0.05），含5個(gè)及以上波形的差異也顯著（t檢驗(yàn)，t＝－10.01，DOF＝682，p＜0.05）.因?yàn)閺B門和雷州灣海域click信號(hào)含4個(gè)及以上波形的數(shù)量均占有絕對(duì)的優(yōu)勢(shì)，分別為84.2%和77.6%，故從總體上來(lái)看，廈門和雷州灣海域中華白海豚的click信號(hào)時(shí)長(zhǎng)是具有顯著差異的.

表1 2個(gè)不同海域中華白海豚各類click信號(hào)所占比例及平均時(shí)長(zhǎng)Tab.1 Proportion and mean duration for click of S.chinensis from two seas

3.2 2個(gè)海域中華白海豚聲源級(jí)的分析及比較

3.2.1 中華白海豚單個(gè)click信號(hào)多徑傳播

圖4記錄了中華白海豚click信號(hào)多徑傳播的結(jié)果，第1個(gè)脈沖為直達(dá)的click信號(hào)，第2個(gè)脈沖為經(jīng)海面反射得到的click信號(hào)，第3個(gè)脈沖為經(jīng)海底反射得到的click信號(hào)，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(lái)源于click信號(hào)多徑傳播［11］.

中華白海豚的click信號(hào)具有指向性，位于聲波束主軸外的click信號(hào)在波形上會(huì)存在一定程度的失真［8］.若直達(dá)click信號(hào)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(hào)分別來(lái)自于聲波束主軸外，那么經(jīng)海面及海底反射得到的信號(hào)與直達(dá)信號(hào)相比，波形上會(huì)存在一定程度的失真，再加上信號(hào)在傳播過(guò)程中介質(zhì)對(duì)其的吸收和散射作用，都會(huì)導(dǎo)致不同傳輸路徑上的信號(hào)波形失真，這就解釋了圖4中3個(gè)信號(hào)彼此相對(duì)存在波形失真的現(xiàn)象.當(dāng)海況良好時(shí)，海面反射信號(hào)和直達(dá)信號(hào)的相位相差180°，海底反射信號(hào)和直達(dá)信號(hào)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(dòng)［12］，這是區(qū)分海面及海底反射信號(hào)的理論基礎(chǔ).

圖4 中華白海豚click信號(hào)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(gè)海域中華白海豚峰峰聲源級(jí)推算及比較

1）中華白海豚峰峰聲源級(jí)推算方法

為分析中華白海豚峰峰聲源級(jí)，作出中華白海豚click信號(hào)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(hào)時(shí)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(shí)間差ts，直達(dá)脈沖與海底反射脈沖的時(shí)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(zhǎng)度等于AB的長(zhǎng)度LAB，AFD的長(zhǎng)度等于AE的長(zhǎng)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(hào)傳播損失的一個(gè)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(jì)算出傳播損失，最終推算出中華白海豚的聲源級(jí).

Au等［9］認(rèn)為海豚的click信號(hào)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(hào)的擴(kuò)展損失當(dāng)作球面擴(kuò)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(diǎn)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(diǎn)處的水平距離r＜H／γ時(shí)，傳播損失遵循球面擴(kuò)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(shí)，傳播損失遵循3／2次方衰減規(guī)律，λ 為信號(hào)波長(zhǎng)；當(dāng)r＞16 H3／π2γλ2時(shí)，傳播損失遵循柱面擴(kuò)展規(guī)律.分別計(jì)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(hào)的峰峰聲壓級(jí)SPL可以直接得出，然后補(bǔ)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(jí)SL，如方程（9）所示：

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

2）2個(gè)海域中華白海豚峰峰聲源級(jí)比較

根據(jù)上文提到的聲源級(jí)推算方法，對(duì)兩海域中華白海豚的峰峰聲源級(jí)進(jìn)行計(jì)算與比較.結(jié)果表明：廈門海域中華白海豚峰峰聲源級(jí)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(jí)最小值為188.9dB，最大值為218.3dB，平均值為（204.1±5.4）dB，對(duì)3個(gè)變量進(jìn)行橫向比較，廈門海域中華白海豚峰峰聲源級(jí)均明顯低于雷州灣中華白海豚峰峰聲源級(jí).中華白海豚的聲源級(jí)的高低與海洋環(huán)境背景噪聲級(jí)的高低密切相關(guān).廈門錄音海域海況極佳，接近0級(jí)海況，且整個(gè)錄音過(guò)程未現(xiàn)降雨，海域附近未觀測(cè)到海洋工程施工.廣東雷州灣錄音點(diǎn)海況良好，海況為2級(jí)，且整個(gè)錄音過(guò)程未現(xiàn)降雨，同樣未觀測(cè)到海洋工程施工.廣東雷州灣錄音點(diǎn)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(guò)程未觀測(cè)到船舶，且偏離主航道.因此可推斷雷州灣錄音點(diǎn)的海洋背景噪聲級(jí)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(jí)的click信號(hào).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(gè)海域中華白海豚的聲源級(jí)差異顯著的因素.

4 討 論

根據(jù)單個(gè)click信號(hào)中所含完整波形個(gè)數(shù)把click信號(hào)分成5類，2個(gè)海域中華白海豚的click信號(hào)均以含4個(gè)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(gè)波形的click信號(hào)所占數(shù)量比例很小，尤其是含1個(gè)波形的click信號(hào)數(shù)量比例均在2%以下.2個(gè)海域含4個(gè)及以上波形click信號(hào)的時(shí)長(zhǎng)存在顯著差異.廈門海域中華白海豚同一click信號(hào)串中相鄰click信號(hào)時(shí)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(shí)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(jí)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(duì)比結(jié)果來(lái)看，2個(gè)海域的中華白海豚click信號(hào)存在顯著差異.

對(duì)于野生中華白海豚聲源級(jí)的研究，目前僅停留在合理性的推算階段，對(duì)野生中華白海豚聲源級(jí)的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量是未來(lái)的一個(gè)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(hào)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(hào)的數(shù)據(jù)量，改進(jìn)中華白海豚聲信號(hào)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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