龔德華,宋明元,崔筱杰,殷雷明,徐鵬翔,田 濤,張國勝,邢彬彬

(1 大連海洋大學(xué)遼寧省海洋牧場工程技術(shù)研究中心,遼寧 大連 116023;2 大連海洋大學(xué)水產(chǎn)與生命學(xué)院,遼寧 大連 116023)

音響馴化技術(shù)是利用魚類的聽覺特性,結(jié)合餌料用聲音對(duì)魚類進(jìn)行馴化,將分散的個(gè)體魚誘集成群,從而達(dá)到控制魚類行為的目的[1-2]。1971年,日本首次提出了“海洋牧場”的構(gòu)想[3],20世紀(jì)80年代末音響馴化型海洋牧場在日本很多地區(qū)以地域開發(fā)形式進(jìn)行建設(shè),以許氏平鲉(Sebastesschlegelii)、牙鲆(Paralichthysolivaceus)和真鯛(Pagrosomusmajor)作為音響馴化的主要魚種,研究發(fā)現(xiàn)音響馴化后的目標(biāo)魚種回捕率顯著提高[4-7]。日本的音響馴化型海洋牧場在經(jīng)濟(jì)和生態(tài)方面也取得了一定效益[7-10]。

國內(nèi)學(xué)者最早是對(duì)淡水魚類進(jìn)行相對(duì)系統(tǒng)的音響馴化研究,使用了不同波形、頻率的聲音對(duì)不同的淡水魚類進(jìn)行音響馴化,研究表明音響馴化技術(shù)能夠有效地提高魚群的聚集率[11-14]。中國海洋牧場的建設(shè)雖然起步較晚,但是近年來發(fā)展迅速[15-16],音響馴化技術(shù)在海洋牧場的應(yīng)用也十分廣泛[17-19]。畢庶萬[20]認(rèn)為魚類聽覺較為敏感,魚類的聽覺閾值為10 Hz～13 kHz,音響馴化能夠提高餌料的利用率和目標(biāo)魚種的捕撈率。

2003年,張國勝等[21]提出了海洋牧場在中國海域建設(shè)的意義、必要性和可行性。張國勝等[22]首次通過音響馴化技術(shù)研究黑鯛(Acanthopagrusschlegelii)的生長與攝量之間的關(guān)系,從而提高了餌料利用率及音響馴化對(duì)黑鯛產(chǎn)生的正反應(yīng),縮短了黑鯛的攝食時(shí)間,該研究極大地推動(dòng)了國內(nèi)海水魚類音響馴化的研究熱潮,并為中國海洋牧場的建設(shè)發(fā)展提供了詳實(shí)的理論依據(jù)和實(shí)踐指導(dǎo)意見。

音響馴化型海洋牧場的建設(shè)對(duì)于漁業(yè)資源的增殖與保護(hù)、海洋環(huán)境的保護(hù)、中國漁業(yè)的可持續(xù)發(fā)展意義重大。音響馴化原理是依據(jù)魚類對(duì)聲音的正趨向反應(yīng),用特定儀器記錄魚類的生物學(xué)聲音(攝食、求偶、集群等),然后在水中播放,誘集魚類成群,將魚群誘惑集到捕撈區(qū)域?qū)崿F(xiàn)高效采捕。研究音響馴化有效作用范圍,可為海洋牧場人工魚礁的投放選址提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)儀器與軟件

本試驗(yàn)放聲系統(tǒng)由水下?lián)P聲器(UWS-015型,靈敏度105 dB、擴(kuò)音角度180°、頻率響應(yīng)80 Hz～20 kHz)、功率放大器和函數(shù)信號(hào)發(fā)生器組成。水聲噪聲使用AQH水聽器(靈敏度-193 dB re 1V/ μPa,日本)進(jìn)行采集,水聽器帶寬為20 Hz～20 kHz,以192 kHz的采樣頻率存儲(chǔ)為WAV格式進(jìn)行時(shí)域頻譜分析。

1.2 試驗(yàn)方法

水下噪聲測(cè)量方法參照GB/T 5265—2009《聲學(xué)水下噪聲測(cè)量》[23]。參照T/SCSF 0009—2021《海洋牧場魚類音響馴化技術(shù)規(guī)程》[24]使用函數(shù)信號(hào)發(fā)生器和功率放大器,生成155 dB、300 Hz正弦波,連接水下?lián)P聲器(UWS-015型)進(jìn)行放聲,水下?lián)P聲器固定在水下1 m處。試驗(yàn)時(shí)間為2021年11月,試驗(yàn)地點(diǎn)位于遼寧省莊河市王家島海域,放聲點(diǎn)坐標(biāo)為123°7′44.41″E,39°25′0″N,選擇距離放聲點(diǎn)0 m、5 m、10 m、25 m、50 m、100 m、250 m、500 m、750 m位置進(jìn)行測(cè)量,測(cè)量點(diǎn)坐標(biāo)如圖1。每個(gè)測(cè)量點(diǎn)測(cè)量水下1 m、5 m、10 m的噪聲,進(jìn)行3次間隔2 min重復(fù)測(cè)量,每次測(cè)量錄制時(shí)間大于2 min。

圖1 水下噪聲測(cè)量點(diǎn)示意圖Fig.1 Schematic diagram of underwater noise measurement points

2 結(jié)果

2.1 放聲點(diǎn)水下噪聲頻譜分析

聲壓級(jí)以符號(hào)SPL表示,其定義為將待測(cè)聲壓有效值p(e)與參考聲壓p(ref)的比值取常用對(duì)數(shù),再乘以20,單位為dB。采集距離聲源垂直方向0 m、1 m、5 m和10 m處聲音樣本進(jìn)行解析,得到距離聲源垂直方向0 m(水下1 m)處SPL為150.36±0.48 dB,距離聲源垂直方向1 m(水下2 m)處SPL為137.54±0.15 dB,距離聲源垂直方向5 m(水下6 m)處SPL為128.86±1.68 dB,距離聲源垂直方向10 m(水下11 m)處SPL為134.66±1.21 dB。水下1 m處300 Hz頻率的SPL為149.96±0.06 dB,水下2 m處300 Hz頻率的SPL為137.36±0.11 dB,SPL衰減約12.60 dB;水下6 m處300 Hz頻率的SPL為123.47±0.47 dB,SPL衰減約26.29 dB;水下11 m處300 Hz頻率的SPL為116.83±0.23 dB,SPL衰減約33.13 dB。在垂直方向上,距離聲源越遠(yuǎn),SPL衰減越明顯,如圖2、圖3所示。

圖2 放聲點(diǎn)水下1 m、2 m、6 m、11 m處噪聲頻譜特性分析Fig.2 Analysis of noise spectrum characteristic at 1 m,2 m,6 m and 11 m underwater at the sound point

圖3 放聲點(diǎn)水下1 m、2 m、6 m、11 m處噪聲1/3倍頻程分析Fig.3 1/3 octave band analysis of noise at 1 m,2 m,6 m and 11 m underwater at the sound point

2.2 海洋牧場示范區(qū)水下噪聲衰減

對(duì)距離放聲點(diǎn)0 m、5 m、10 m、25 m、50 m、100 m、250 m、500 m、750 m位置采集的聲音樣本進(jìn)行解析,得到水下1 m處300 Hz頻率的噪聲衰減為:距聲源點(diǎn)5 m處,噪聲衰減7.71 dB;距聲源點(diǎn)10 m處,噪聲衰減26.30 dB;距聲源點(diǎn)25 m處,噪聲衰減29.60 dB;距聲源點(diǎn)50 m處,噪聲衰減25.31 dB;距聲源點(diǎn)100 m處,噪聲衰減32.25 dB;距聲源點(diǎn)250 m處,噪聲衰減37.78 dB;距聲源點(diǎn)500 m處,噪聲衰減47.00 dB;距聲源點(diǎn)750 m處,噪聲衰減49.81 dB,如圖4所示。

圖4 水下1 m處噪聲衰減示意圖Fig.4 Diagram of noise attenuation at 1 m underwater

水下5 m處300 Hz頻率的噪聲衰減為:距聲源點(diǎn)5 m處,噪聲衰減-5.17 dB;距聲源點(diǎn)10 m處,噪聲衰減-0.26 dB;距聲源點(diǎn)25 m處,噪聲衰減12.17 dB;距聲源點(diǎn)50 m處,噪聲衰減9.91 dB;距聲源點(diǎn)100 m處,噪聲衰減21.65 dB;距聲源點(diǎn)250 m處,噪聲衰減23.08 dB;距聲源點(diǎn)500 m處,噪聲衰減38.47 dB;距聲源點(diǎn)750 m處,噪聲衰減45.32 dB,如圖5所示。

圖5 水下5 m處噪聲衰減示意圖Fig.5 Diagram of noise attenuation at 5 m underwater

水下10 m處300 Hz頻率的噪聲衰減為:距聲源點(diǎn)5 m處,噪聲衰減-9.98 dB;距聲源點(diǎn)10 m處,噪聲衰減-7.38 dB;距聲源點(diǎn)25 m處,噪聲衰減3.88 dB;距聲源點(diǎn)50 m處,噪聲衰減9.52 dB;距聲源點(diǎn)100 m處,噪聲衰減11.39 dB;距聲源點(diǎn)250 m處,噪聲衰減20.88 dB;距聲源點(diǎn)500 m處,噪聲衰減18.43 dB;距聲源點(diǎn)750 m處,噪聲衰減48.90 dB,如圖6。

圖6 水下10 m處噪聲衰減示意圖Fig.6 Diagram of noise attenuation at 10 m underwater

本試驗(yàn)以距離放聲點(diǎn)0 ～750 m處的SPL結(jié)果進(jìn)行衰減計(jì)算。將距離放聲點(diǎn)0～750 m的水下噪聲進(jìn)行頻譜統(tǒng)計(jì)分析,得到在155 dB、 300 Hz噪聲下的衰減情況。距離放聲點(diǎn)0 ～750 m,水下1 m處SPL衰減49.81 dB,水下5 m處SPL衰減45.32 dB,水下10 m處SPL衰減48.90 dB,如圖7。

根據(jù)衰減理論[25]公式:

TTL=N×10 log(r)

(1)

式中:TTL為衰減聲壓級(jí), dB;N為衰減系數(shù);r為測(cè)量點(diǎn)到聲源的距離, m。

由此,可確定水平方向上的衰減系數(shù),將距放聲點(diǎn)750 m處水下1 m、5 m、10 m處噪聲衰減數(shù)值49.81 dB、45.32 dB、48.90 dB分別代入式(1)中,得到:N1≈1.73,N2≈1.58,N3≈1.70。

將N代入式(1)中,得到水下噪聲的水平衰減公式:

水下1 m:TTL= 1.73×10 log(r)

(2)

水下5 m:TTL= 1.58×10 log(r)

(3)

水下10 m:TTL=1.70×10 log(r)

(4)

因此,水下噪聲水平方向上的衰減模型基本符合球面衰減規(guī)律(衰減系數(shù)N=2)。

3 討論

3.1 海洋牧場示范區(qū)水下噪聲衰減

水下噪聲的衰減主要原因有3個(gè):(1)擴(kuò)展損失。聲音在不斷傳播過程中波陣面會(huì)一直擴(kuò)展,從而造成聲強(qiáng)的衰減。這類衰減也稱作幾何衰減。(2)吸收損失。在不均勻的介質(zhì)中,介質(zhì)的熱傳導(dǎo)、黏滯和相關(guān)鹽類的弛豫過程引起的聲強(qiáng)衰減,這類衰減也稱作物理衰減。(3)散射。海洋環(huán)境中存在大量的浮游動(dòng)植物、泥沙、氣泡等物質(zhì),引起聲波散射而導(dǎo)致聲強(qiáng)衰減[25]。章蔚等[26]使用Bellhop射線模型和 Kraken簡正波模型模擬海域水下噪聲衰減模型,從 0～300 m 范圍 Kraken 簡正波模型在頻率100～1 000 Hz 下衰減范圍為 20～45 dB,Bellhop 射線模型衰減范圍為 23～53 dB。本試驗(yàn)測(cè)量距離為0～1 000 m,距離放聲點(diǎn)250 m處,頻率為300 Hz的噪聲水下1 m位置衰減了37.78 dB;水下5 m位置衰減了23.08 dB,水下10 m位置衰減了28.88 dB,與章蔚等[26]模擬的衰減范圍一致。本次放聲點(diǎn)的水下?lián)P聲器為垂直放置于水下1 m處,因此噪聲衰減為球面衰減。本試驗(yàn)測(cè)量點(diǎn)設(shè)置至距離放聲點(diǎn)750 m處,選用750 m處計(jì)算衰減模型,300 Hz頻率段SPL水下1 m處為81.08 dB;水下5 m處為77.74 dB;水下10 m處為80.09 dB,與背景噪聲SPL基本相同。因此選用750 m處計(jì)算噪聲衰減模型。本試驗(yàn)得到的水下噪聲水平衰減的模型,水下1 m,TTL=1.73×10 log(r);水下5 m,TTL=1.58×10 log(r);水下10 m,TTL=1.70×10 log(r),符合球面衰減,球面衰減公式為TTL= 20×10 log(r)。

矢量水聽器是由振速和聲壓傳感器構(gòu)成,通過這2個(gè)傳感器可以獲取聲場環(huán)境中的振速信息和聲壓信息。聲壓傳感器又是由多個(gè)傳感器和加速度計(jì)組成,在聲場環(huán)境中,將獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)處理后,最終得到聲場環(huán)境中幾何中心點(diǎn)上的聲壓信息[25]。因此不同的水聽器在同一個(gè)測(cè)量點(diǎn)測(cè)量解析的數(shù)據(jù)會(huì)存在一定差異。本次測(cè)量使用日本AQH水聽器(靈敏度:-193 dB re 1 V/ μPa),牛富強(qiáng)等[27]使用的為自容式水下聲音記錄儀(靈敏度:-180 dB re 1 V/μPa),水聽器(Reson TC4032,靈敏度:-170 dB re 1 V/μPa;頻率響應(yīng):5～120 kHz),水聽器內(nèi)部敏感單元和材質(zhì)不同導(dǎo)致其靈敏度不同,實(shí)際測(cè)量的結(jié)果存在一定差異。

3.2 音響馴化有效作用范圍

音響馴化技術(shù)是一種重要的魚群控制技術(shù),音響馴化的有效作用范圍與目標(biāo)魚種的聽覺特性、海洋環(huán)境的水下背景噪聲、水下?lián)P聲器的聲壓級(jí)有關(guān)。陳帥等[28]研究音響馴化的有效作用范圍,認(rèn)為確定音響馴化有效作用范圍需要滿足兩個(gè)條件:一是需要知道目標(biāo)魚種的聽覺特性;二是需要對(duì)音響馴化放聲點(diǎn)所在海域進(jìn)行水下噪聲測(cè)量與解析,同時(shí)掌握水下聲音傳播的衰減情況。海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)到的300 Hz以下低頻噪聲數(shù)量逐年增多,而頻率越低傳播距離越遠(yuǎn),衰減越小,300 Hz是受到背景噪聲干擾的最低頻率段,在海上300 Hz以上噪聲頻率疊加干擾多,而在接近300 Hz時(shí),海上環(huán)境噪聲疊加干擾趨近于0,300 Hz是背景噪聲貼近環(huán)境噪聲相對(duì)穩(wěn)定的頻率[29]。本試驗(yàn)音響馴化的目標(biāo)魚種是許氏平鲉,許氏平鲉的聽覺敏感頻率在80 Hz～320 Hz[30]。因此,本試驗(yàn)選擇的放聲參數(shù)為300 Hz。一般臨界比是隨聲音頻率的增加而增加,在聽覺敏感的頻率范圍內(nèi)約為15～30 dB,即在敏感頻率范圍內(nèi)信號(hào)聲聲壓比相應(yīng)的環(huán)境噪聲聲壓大15～30 dB以上,魚就能分辨出信號(hào)音。海洋牧場示范區(qū)水下背景噪聲300 Hz處SPL約為75 dB,距離放聲點(diǎn)250 m處監(jiān)測(cè)到的300 Hz處SPL約為99 dB,高出背景噪聲約25 dB,而距離放聲點(diǎn)500 m處監(jiān)測(cè)到的300 Hz處SPL約為90 dB,高出背景噪聲約15 dB。Lee等[30]對(duì)許氏平鲉聽覺閾值進(jìn)行了研究,得到許氏平鲉在300 Hz頻率下的聽覺閾值約為99 dB。綜上所述,在海洋牧場示范區(qū)內(nèi)對(duì)許氏平鲉選用參數(shù)為300 Hz、155 dB的正弦波進(jìn)行音響馴化的有效半徑為500 m,考慮到許氏平鲉300 Hz頻率的聽覺閾值,得到音響馴化的最佳半徑為250 m。

4 結(jié)論

音響馴化技術(shù)是一種重要的魚群控制技術(shù),音響馴化的有效作用范圍與目標(biāo)魚種的聽覺特性、海洋環(huán)境的水下背景噪聲、水下?lián)P聲器的聲壓級(jí)有關(guān)。水下噪聲在海洋環(huán)境中傳播其聲壓級(jí)會(huì)不斷衰減,選擇馴化參數(shù)為300 Hz、155 dB正弦波進(jìn)行放聲,其水下噪聲衰減模型符合球面衰減;在海洋牧場中對(duì)許氏平鲉進(jìn)行音響馴化的有效作用半徑為500 m,最佳半徑為250 m。音響馴化技術(shù)應(yīng)用于不同目標(biāo)魚種時(shí),選擇的參數(shù)還需要根據(jù)目標(biāo)魚種的聽覺特性及馴化海域的實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整,以達(dá)到最佳的馴化效果。