北海獅水下聲信號類型分析

姜 瑩呂連港劉宗偉黃龍飛楊志國楊春梅

(1.自然資源部 第一海洋研究所,山東 青島266061；2.青島海洋科學(xué)與技術(shù)試點(diǎn)國家實(shí)驗(yàn)室 區(qū)域海洋動(dòng)力學(xué)與數(shù)值模擬功能實(shí)驗(yàn)室,山東 青島266237；3.自然資源部 國家深?；毓芾碇行?山東 青島266237)

北海獅(Eumetopias jubatus)屬于海獅科(Otariidae)、北海獅屬(Eumetopias),別稱為北太平洋海獅、斯氏海獅、海驢等,因在頸部生有鬃狀的長毛,叫聲也很像獅吼而得此名。北海獅是海獅科中體型最大的一種,體型瘦長；頭頂略凹；頸長；面部短寬,眼大；具有外耳廓,外耳廓相對較短并緊貼在頭側(cè)；前后肢均呈槳狀,前肢長于后肢；全身主要為黃褐色,胸部至腹部顏色較深。北海獅是我國二級保護(hù)動(dòng)物,被列入《世界自然保護(hù)聯(lián)盟》(IUCN)2016年瀕危物種紅色名錄中易危物種[1]。北海獅一般棲息于寒溫帶沿岸水域,其主要分布于太平洋(白令海、鄂霍次克海、阿拉斯加、堪察加、阿留申群島和北干島等)海域,在我國江蘇啟東的黃海海域和遼寧大洼的渤海海域亦可見。北海獅白天一般在水中捕食或活動(dòng),夜間則回到岸上睡覺。

北海獅屬于鰭足類哺乳動(dòng)物。據(jù)研究[2],鰭足類哺乳動(dòng)物雖然視覺較差,但擁有強(qiáng)大的生物聲吶系統(tǒng),能夠通過發(fā)射聲信號來檢測和識別目標(biāo)的大小以及形狀,因此,研究者可以通過研究北海獅的水下聲信號特征來了解其生活特性。目前,已有研究者通過被動(dòng)聲學(xué)觀測方法,開展了同屬于鰭足類哺乳動(dòng)物的海豹水下聲信號特征的研究,包括環(huán)紋海豹[3]、格陵蘭海豹[4]、威德爾海豹[5]等。近年來,北海獅科動(dòng)物水下聲信號特性方面的研究逐漸增多。Schusterman等研究了同屬于北海獅科的加利福尼亞海獅的水下聲信號,認(rèn)為加利福尼亞海獅的水下聲信號可以分為5種類型:clicks,barks,whinnies,buzzing以及bang(或者crack sounds)[6],并指出click信號是其最常見的水下聲信號類型[7]。盡管如此,迄今關(guān)于北海獅的相關(guān)報(bào)道卻仍然很少,只有clicks和growls兩種類型的水下聲信號被報(bào)道過[8-11],研究指出,北海獅可以通過降低growls聲信號的發(fā)聲頻率來產(chǎn)生click信號串[8]。

為了研究北海獅水下聲信號的特征,本文使用一套便攜的自容式水下聲學(xué)記錄設(shè)備連續(xù)記錄水族館內(nèi)的北海獅水下聲信號,通過分析記錄信號的時(shí)頻譜,對信號的聲學(xué)特性參數(shù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì),并將北海獅的水下聲信號進(jìn)行分類,以期為掌握北海獅的水下發(fā)聲情況奠定基礎(chǔ),為北海獅的聲行為研究提供數(shù)據(jù)支撐,并為進(jìn)一步的野外被動(dòng)聲學(xué)監(jiān)測提供科學(xué)依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)采集與處理方法

1.1 數(shù)據(jù)采集

2015-11在青島極地海洋世界的北海獅飼養(yǎng)池中進(jìn)行了水下聲信號觀測。池中水深約為6 m,直徑約為3 m,池壁為普通水泥材料。池中馴養(yǎng)了3頭北海獅,一雄兩雌,雄海獅約6歲,兩頭雌海獅略小,分別為5歲和4歲。數(shù)據(jù)記錄時(shí)間為2015-11-19T09:55—20T15:15,共計(jì)約29 h。采用一套自制的自容式數(shù)據(jù)采集設(shè)備LoPAS-H(圖1)記錄水下聲信號。該設(shè)備由記錄器和水聽器兩部分組成,其中記錄器包含16 bit分辨率的低噪數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊、能供電38 h的電源模塊和容量可達(dá)1 028 GB的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊。它具有5個(gè)采樣頻率可供選擇,分別為49,96,128,260和524 k Hz。為了保證對北海獅聲信號在頻率上的全覆蓋,本次記錄選用的采樣頻率為524 k Hz。配用的水聽器靈敏度為(-198±3)dB(0 dB?1 V/μPa),平坦的頻率響應(yīng)區(qū)間為50 Hz～120 k Hz。采集系統(tǒng)被固定在一鋼架上,吊放于水下1 m處,鋼架外面用一層鐵絲網(wǎng)罩住,防止動(dòng)物觸碰。

1.2 處理方法

首先利用adobe audition CS5.5(Adobe Systems Incorporated,San Jose CA)對數(shù)據(jù)進(jìn)行初始的時(shí)頻譜分析,選取在視覺和聽覺兩方面均具有良好質(zhì)量的數(shù)據(jù)用于進(jìn)一步的分析[12]。數(shù)據(jù)質(zhì)量的判斷標(biāo)準(zhǔn)有2個(gè):1)清晰的輪廓(對應(yīng)高信噪比)；2)沒有與其他信號發(fā)生混疊。

采用MATLAB(The Mathworks Incorporated,Natick,MA,USA)對選取的信號進(jìn)行進(jìn)一步的時(shí)頻分析,并計(jì)算特征參數(shù)。時(shí)頻分析時(shí),對數(shù)據(jù)加hann窗進(jìn)行平滑,窗長和傅里葉變換的點(diǎn)數(shù)均為4 096,且重疊率為50%。獲得的特征參數(shù)包括時(shí)長、最小頻率、最大頻率以及峰值頻率。時(shí)長為包含95%能量的窗長對應(yīng)的時(shí)間[13],峰值頻率是指頻譜圖中幅度最大點(diǎn)對應(yīng)的頻率值,而最小頻率和最大頻率分別對應(yīng)著信號時(shí)頻圖上頻率輪廓中的最低點(diǎn)和最高點(diǎn)。

利用聚類分析法分析信號特征參數(shù),通過計(jì)算每個(gè)樣本信號歐幾里德距離的平方確定層次關(guān)聯(lián),采用組間全連接方法對信號進(jìn)行分類。最后對信號的時(shí)頻譜進(jìn)行視覺和聽覺兩方面的人工檢驗(yàn),評估分類結(jié)果的有效性。每個(gè)信號類型應(yīng)該具有的特征[14-15]包括:1)一個(gè)類型中的相似度應(yīng)＞90%；2)該信號形式出現(xiàn)的次數(shù)超過10次；3)該類型所有信號之間的差異較小；4)該類型信號的輪廓是千篇一律的,具有顯著的、可識別的特征。

圖1 自容式數(shù)據(jù)采集設(shè)備LoPAS-HFig.1 The self-contained data acquisition module(LoPAS-H)

2 結(jié)果與分析

從采集到的北海獅水下發(fā)聲數(shù)據(jù)中,共檢測出22 689個(gè)信號。根據(jù)聚類分析方法將其中的21 010個(gè)信號(其中的1 679個(gè)為無法分類的剩余信號)分成10種信號類型,分別為單脈沖(SP)、哨聲(WS)、咕咕聲(GG)、咚咚聲(DS)、狗吠聲(BK)、吼叫聲(WY)、嗡嗡聲(BZ)、撞擊聲(BG)、單頻聲(SF)以及咩咩聲(BT)。信號類型的命名參照Schusterman等[6]。各類型信號的特征參數(shù)結(jié)果見表1?？梢钥闯?信號時(shí)長方面,DS的最長,而SP的最短；最小頻率方面,WS和SF的較高,而GG,BK和WY的則較低；最大頻率方面,WS,SP,WY,GG和BT的較高,而SF和DS的則較低；峰值頻率上,WS和GG的較高,而BZ的最低。

表1 10種聲信號類型的特征參數(shù)結(jié)果Table 1 Physical characteristics of the 10 categories of signals used by captive Steller Sea Lions

每種信號類型的時(shí)域信號和時(shí)頻譜的分布如圖2和圖3所示,可見:SP信號(圖2a和圖3a)表現(xiàn)為寬帶、短時(shí)的脈沖信號,持續(xù)時(shí)間約2～20 ms,頻率分布在15 k Hz以下,主要能量集中在5 k Hz以下,峰值頻率為3 k Hz處；WS信號(圖2b和圖3b)類似于鯨豚類動(dòng)物發(fā)出的哨聲信號,具有調(diào)頻的音調(diào)特性,持續(xù)時(shí)間較寬,頻率分布較散,范圍通常為100～500 ms和3～16 k Hz；GG和DS信號都屬于嘀嗒聲脈沖串的形式,表現(xiàn)為短時(shí)、寬帶的脈沖信號組合,持續(xù)時(shí)間一般為0.5～3 s,脈沖重復(fù)率(1 s內(nèi)出現(xiàn)的脈沖個(gè)數(shù))最低為5,最高可達(dá)100。GG(圖2c和圖3c)的頻譜范圍在15 k Hz以下,能量分布較均勻,脈沖重復(fù)率通常較高,持續(xù)時(shí)間較短；DS(圖2d和圖3d)的頻譜范圍為0.5～6 k Hz,能量主要集中在3 k Hz附近,脈沖重復(fù)率一般不超過50,持續(xù)時(shí)間相對較長。BK信號(圖2e和圖3e)聽起來像是狗叫的聲音,頻譜范圍在10 k Hz以下,主要能量集中在5 k Hz以下,單個(gè)BK信號的持續(xù)時(shí)間為60～200 ms,但通常會(huì)多個(gè)信號連續(xù)出現(xiàn)；WY信號(圖2f和圖3f)聽起來像是吼叫的聲音,持續(xù)時(shí)間約0.3～1.3 s,頻譜分布在15 k Hz以下,通常該信號被認(rèn)為是海獅科動(dòng)物在遇到挑釁時(shí)發(fā)出的聲音[6]；BZ信號(圖2g和圖3g)表現(xiàn)為密集出現(xiàn)的脈沖信號的組合,聽起來像是“嗡嗡”的聲音,多與BK信號伴隨出現(xiàn),持續(xù)時(shí)間約0.3 s,能量分布在8 k Hz以下,集中于0.5～4 k Hz；BG信號(圖2h和圖3h)的頻譜范圍在10 k Hz以下,但主要能量分布于0.5～2 k Hz,持續(xù)時(shí)間較短,約150 ms；SF信號(圖2i和圖3i)跟WS信號類似,聽起來也像哨聲,屬于調(diào)制較弱的窄帶調(diào)頻信號,頻率范圍為2～5 k Hz,多集中在3 k Hz附近,持續(xù)時(shí)間通常為0.05～0.10 s；BT信號(圖2j和圖3j)聽起來像是羊叫的聲音,持續(xù)時(shí)間一般在0.5～1.5 s,頻譜分布于0.5～10 k Hz。

統(tǒng)計(jì)分析10類水下聲信號所占比例(圖4)可以看出,BK,BT和BG信號的發(fā)聲頻率較高,占比分別為23%,22%和21%；SP,WS和BZ信號次之,占比均為6%；而GG發(fā)聲頻率最低,占比僅為2%。

圖2 10種類型信號時(shí)域波形及時(shí)間分布Fig.2 Temporal waveform and time representations of the 10 categories of signals

圖3 10種類型信號時(shí)域波形及頻率分布Fig.3 Temporal waveform and frequency representations of the 10 categories of signals

圖4 21 010個(gè)信號中不同類型水下聲信號使用比例Fig.4 Proportions of each category of signals among all 21 010 calls

3 討 論

關(guān)于北海獅種和其亞種的水下聲信號的研究報(bào)道十分稀少[2]。有研究報(bào)道[8,10],北海獅、南美、澳洲以及新西蘭海獅可以發(fā)出growl,snort,bleat以及嘀嗒聲信號,北部皮毛海獅也能夠發(fā)出bleat信號。但目前,尚未見關(guān)于北海獅水下聲信號類型的報(bào)道。本文通過對水族館內(nèi)北海獅觀測數(shù)據(jù)的分析,對北海獅水下聲信號進(jìn)行了分類,并分析了各類型聲信號的特征參數(shù)和使用比例。這些結(jié)果能夠提高人們對北海獅聲信號的認(rèn)知水平,為進(jìn)一步研究北海獅的聲行為奠定基礎(chǔ)。

本文通過水下聲信號特征參數(shù)的聚類分析方法,將北海獅的水下聲信號分成10種類型,該種分類方式共分析了21 010個(gè)信號,占全部檢測信號的92.6%,基本覆蓋全部檢測信號,說明這10種聲信號類型基本涵蓋北海獅的全部水下聲信號形式。文中獲得的分類結(jié)果與前期的研究有一定的相似之處[9-11]。獲得的新的信號類型可能是由不同的分類方法引起的,不一定是新的信號。比如,GG和DS信號非常相似,只有峰值頻率這一參數(shù)決定了它們屬于不同的類別。如果使用條件更寬泛的分類方法,它們可能就會(huì)被歸為一類。同樣倘若使用更多的聲信號特征參數(shù),例如聲壓級、起始頻率和結(jié)束頻率,或許有助于剩余7.4%信號的分類,這一點(diǎn)有待進(jìn)一步研究。

加利福尼亞海獅(Zalophus californianus)分布從阿拉斯加?xùn)|南部到墨西哥中部,包括加利福尼亞灣,與北海獅的分布范圍基本重合。有研究報(bào)道過水族館內(nèi)加利福尼亞海獅的水下聲信號[6,16]。通過與本文結(jié)果比較發(fā)現(xiàn),這2個(gè)物種有5種同樣名稱的發(fā)聲類型,分別是click,bark,whinny,buzzing以及bang,相同名稱的聲信號類型具有相似的時(shí)頻分布形式,可以認(rèn)為是同種聲信號。這2個(gè)物種同名稱信號的峰值頻率范圍接近,但加利福尼亞海獅的時(shí)長較長,頻率范圍較窄,而北海獅的時(shí)長更短,頻率范圍更寬,這種不同點(diǎn)可能反映了2個(gè)物種在水下聲信號上的種群差異性。

北海獅水下聲信號的社會(huì)功能決定了其使用比例。BK,BT和BG信號使用頻率較高,3種信號的使用頻率占全體信號的66%,說明這3種信號是北海獅水下聲信號的基本構(gòu)成。本文研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)WY信號的使用頻率較低,僅為5%。對于熟悉的環(huán)境和固定的同伴,海獅很少受到挑釁,進(jìn)而WY信號的使用頻率較少。通常鯨豚類哺乳動(dòng)物以嘀嗒信號作為回聲定位信號,用于導(dǎo)航、覓食、探測等行為活動(dòng)中[2]。根據(jù)分類結(jié)果,GG和DS信號都屬于嘀嗒信號的形式,這兩類信號的使用頻率占所有信號的7%,整體較少,說明在熟悉的環(huán)境下,海獅不需要頻繁地進(jìn)行探測或?qū)Ш降刃袨?GG和DS信號的使用頻率就較低。

本文研究結(jié)果表明,北海獅水下聲信號的頻率分布基本低于15 k Hz。Schusterman和Moore對北部皮毛海獅(Callorhinus ursinus)水下聽覺進(jìn)行了研究,發(fā)現(xiàn)這個(gè)物種的最佳聽覺頻率范圍為2～33 k Hz,高于本文中發(fā)聲頻率結(jié)果[17]。假設(shè)同亞種的動(dòng)物具有相近的聽力閾值的話,推測北海獅相對更高的聽覺頻率是為了發(fā)現(xiàn)其天敵如虎鯨和大白鯊的聲音,而較低的發(fā)聲頻率則更有利于種群間的長距離通訊。

4 結(jié) 語

基于青島海昌極地海洋世界北海獅的水下聲觀測數(shù)據(jù),提出了10種類型的分類方式,該分類方式可以基本覆蓋北海獅全部的水下發(fā)聲信號,有利于北海獅的被動(dòng)聲學(xué)觀測。結(jié)合北海獅的行為反應(yīng)本文討論了對不同類型聲信號的社會(huì)功能,發(fā)現(xiàn)WY是應(yīng)對挑釁時(shí)的信號,而GG和DS具有探測、導(dǎo)航的功能。由于本文采用的實(shí)測數(shù)據(jù)比較有限,還需要進(jìn)一步選取野外的聲觀測數(shù)據(jù)來進(jìn)行完善,進(jìn)一步提高分類形式的完備性。

致謝：青島海昌極地海洋世界為數(shù)據(jù)觀測提供了大力支持；自然資源部第一海洋研究所的楊光兵、陳釗和張超等為數(shù)據(jù)獲取提供了幫助。