厦门和雷州湾海域中华白海豚click信号的分析与比较

汪启铭，许肖梅＊，苏冠龙，苏海涛

（1.厦门大学海洋与地球学院，福建 厦门361102；2.厦门大学水声通信与海洋信息技术教育部重点实验室，3.厦门大学信息科学与技术学院，福建 厦门361005）

中华白海豚（Sousa chinensis）是国家一级保护动物，被国际自然保护联盟IUCN列为“近危”物种［1］，也是濒危野生动植物物种国际贸易公约（CITES）附录Ⅰ物种.中华白海豚喜欢生活在水深20m左右的浅海海域，我国的中华白海豚主要分布于南方近海，北起长江口，南下浙江南部、福建、广东、海南和广西沿岸海域均有中华白海豚的踪迹［2］.

国内对中华白海豚的研究大多集中在其种群分布及遗传学方面［1，3］.由于中华白海豚通过发射与接收声学信号进行水下目标的探测、情感的表达与交流，研究它们的声学特性具有非常重要的意义.近年来，对中华白海豚声学特性的研究逐渐增多.美国西南渔业科学研究中心Goold等［4］2004年在香港大屿山岛附近海域偶然记录到若干只中华白海豚的click信号，但只是从时域和频域方面对信号进行了粗略的分析.2010年Sims等［5］同样在香港大屿山岛附近海域记录到了大量的中华白海豚的click信号，发现部分click信号脉冲串中click信号时间间隔相同，部分则不断变化，根据这个特性把click信号脉冲串分为等时间间隔click信号脉冲串和不等时间间隔click信号脉冲串两类.2012年牛富强等［6］对厦门海域的中华白海豚click信号进行了记录分析，重点分析了click信号的频域特性，如带宽、频谱等.在中华白海豚听阈方面，2011年李松海等［7］对中国南宁海豚馆一头圈养的中华白海豚听阈值进行过测量，实验结果表明这只中华白海豚的听阈曲线图大体呈“U”字形，在45kHz处听觉灵敏度最高，但实验对象仅局限于动物园中单只中华白海豚.

本文根据中华白海豚click信号所包含完整波形的个数，对click信号进行分类.分析比较了厦门和雷州湾海域中华白海豚的click信号声学特性，包括click信号时长、时间间隔以及峰峰声源级.分析比较不同海域中华白海豚的声学特性，不仅对于仿声声纳技术的开发、中华白海豚声学保护政策的制定具有十分重要的意义，而且能从声学角度为区分中华白海豚的种群特征提供一定的借鉴.

1 中华白海豚click信号的基本特征

中华白海豚发射click信号的数量和click信号之间的时间间隔取决于一系列的因素：中华白海豚与所探测目标之间的距离，探测目标的难易程度，目标的存在与否，以及对找到特定目标的期待程度［8］.一个click信号串中click信号时间间隔也是在不断变化的.Au等［9］在1974年对两头大西洋宽吻海豚（Tursiops truncatus）click信号的时间间隔进行初步探索，大西洋宽吻海豚与所探测目标的距离为55～73 m，实验结果表明不同click信号之间时间间隔是不断变化的，但这种变化很有规律性，即时间间隔长度值在不断地上下波动.Au实验室共进行了4次关于探索大西洋宽吻海豚click信号时间间隔与探测距离之间关系的实验.在这些实验中，当探测距离为0.4～120m时，click信号时间间隔在20～190ms变动；且随着探测距离的增加，click信号之间的时间间隔呈现增加的趋势.

不同种类海豚的click信号时间长度是不同的.Au等［9］对大西洋宽吻海豚的click信号时长进行研究，研究结果表明它们的click信号时长分布在50～80μs内.Mohl等［10］对鼠海豚（Phocoena phocoena）的click信号时长进行研究，结果表明其click信号时长分布在130～260μs内.李松海等［11］对长江江豚（Neophocaena phocaenoides asiaeorientails）的click信号时长进行统计分析，他们从一系列的click信号串中随机抽取出共548个click信号，得出长江江豚click信号时长分布在30～122μs内，平均值为（68.00±14.12）μs.牛富强等［6］对厦门海域中华白海豚551个click信号时长进行统计分析，得出其click信号的平均时长为（33±4）μs.

中华白海豚click信号的声源级与水下环境背景噪声级及拟探测的目标性质有关，一般随着水下背景噪声级的增加而提高，随目标反射强度的减弱而增加.中华白海豚click信号的声源级有较大的动态分布范围，户外开放海域中大西洋宽吻海豚click信号声源级往往高于室内的大西洋宽吻海豚发射声源级.随着探测目标距离的增加，大西洋宽吻海豚所发射的click信号的声源级也在相应的提高，但是提高的幅度并不大，往往无法补偿信号传播过程中的能量损失［8］.Aubauer等［12］研究表明，大西洋宽吻海豚的click信号峰峰声源级可高达228dB，飞旋海豚（Stenella longirostris）的click信号峰峰声源级可高达219dB.

2 研究对象及方法

2.1 研究对象

课题组于2011年8月和2012年9月分别对广东雷州湾和福建厦门2个不同海域的中华白海豚的声信号进行野外采集（如图1）.为防止惊扰游动中的中华白海豚，调查船和中华白海豚的距离保持在50～300 m的范围内.待中华白海豚活动状态相对稳定，关闭调查船的发动机，并迅速布置好实验仪器进行录音.在福建厦门海域共记录到约10头中华白海豚的声信号，在广东雷州湾共记录到约40头中华白海豚的声信号.

图1 野生中华白海豚录音海域位置图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 实验仪器

采用丹麦B＆K公司生产的8105水听器（电压灵敏度为56μV／Pa）作为前端输入，利用B＆K 2692 NEXUS适配放大器对信号进行放大，然后通过NI DAQ 6062E高速数据采集卡进行中华白海豚声信号数据采集，最后把数据储存在联想PC中进行终端信号存储与处理，采集系统的程序框图如图2.

图2 中华白海豚声学信号采集系统流程图Fig.2 Schematic of vocalization aquisition system for S.chinensis

2.2.2 数据处理方法

首先利用MATLAB读入所记录的数据，对数据进行高通滤波处理，滤除1kHz以下频段背景干扰噪声；其次，利用MATLAB画出click信号的时域图，粗略地估计出click信号的时间范围，并对包含click信号的数据进行存储；最后，把已存储的数据转化为wav格式，导入Adobe Audition 3.0进行更加细化的分析和统计.

3 数据结果及分析

3.1 2个海域中华白海豚click信号特性分析及对比

图3 中华白海豚click信号串以及5种单个click信号放大图Fig.3 Time－domain plot of click train and five different kinds of single click of S.chinensis

从2个海域采集到的click信号中各提取出500个信噪比高的单个click信号进行统计分析.如图3，厦门海域中华白海豚相邻click信号的时间间隔变化范围较大，为7.8～349.2ms（n＝379），而广东雷州湾中华白海豚相邻click信号间的时间间隔变化范围较小，为3.3～124.3ms（n＝496）.从时域上来看，click信号由单个或者多个波形组成.根据构成单个click信号的波形数量，把click信号分为以下5类：含1个、2个、3个、4个和5个及以上波形click信号.

表1中的统计结果表明：厦门和雷州湾海域的中华白海豚click信号均以含5个及以上波形的click信号为主，数量分别占总数的68.6%和69.0%.含1个波形的click信号数量所占比例均较小，分别为总数的1.6%和1.8%.中华白海豚的click信号时长定义为click信号脉冲信号起振点与停振点之间的时间差，click信号起振点幅度恰好高于背景噪声幅度，click信号停振点幅度恰好低于背景噪声幅度.各个种类的click信号时长均值见表1.利用t检验对2个海域的同种click信号进行差异检验，设置显著水平0.05，计算概率p值，若p＜0.05则差异显著，否则差异不显著.t检验结果表明：2个海域中华白海豚click信号包含波形数量在3个及以下的，click信号时长差异不显著（p值均大于0.05），含4个波形的差异显著（t检验，t＝3.39，DOF＝84，p＜0.05），含5个及以上波形的差异也显著（t检验，t＝－10.01，DOF＝682，p＜0.05）.因为厦门和雷州湾海域click信号含4个及以上波形的数量均占有绝对的优势，分别为84.2%和77.6%，故从总体上来看，厦门和雷州湾海域中华白海豚的click信号时长是具有显著差异的.

表1 2个不同海域中华白海豚各类click信号所占比例及平均时长Tab.1 Proportion and mean duration for click of S.chinensis from two seas

3.2 2个海域中华白海豚声源级的分析及比较

3.2.1 中华白海豚单个click信号多径传播

图4记录了中华白海豚click信号多径传播的结果，第1个脉冲为直达的click信号，第2个脉冲为经海面反射得到的click信号，第3个脉冲为经海底反射得到的click信号，不同脉冲的幅值和相位有所差别.存在直接证据表明，根据水下声传播特性，此种多脉冲现象往往是来源于click信号多径传播［11］.

中华白海豚的click信号具有指向性，位于声波束主轴外的click信号在波形上会存在一定程度的失真［8］.若直达click信号恰好是位于声波束主轴上，而经海面反射和海底反射的click信号分别来自于声波束主轴外，那么经海面及海底反射得到的信号与直达信号相比，波形上会存在一定程度的失真，再加上信号在传播过程中介质对其的吸收和散射作用，都会导致不同传输路径上的信号波形失真，这就解释了图4中3个信号彼此相对存在波形失真的现象.当海况良好时，海面反射信号和直达信号的相位相差180°，海底反射信号和直达信号的相位差值与海底地质及反射角有关，在0°～180°内变动［12］，这是区分海面及海底反射信号的理论基础.

图4 中华白海豚click信号的多径传播现象Fig.4 The multi－path propagation phenomenon of click of S.chinensis

3.2.2 2个海域中华白海豚峰峰声源级推算及比较

1）中华白海豚峰峰声源级推算方法

为分析中华白海豚峰峰声源级，作出中华白海豚click信号多径传播示意图如图5所示.海水深度h以及水听器深度d是已知量，从click信号时域波形图中可以直接得到直达脉冲与海面反射脉冲的时间差ts，直达脉冲与海底反射脉冲的时间差tb，由此推算出发声的中华白海豚与水听器间的距离R.

图5中ACD 的长度等于AB的长度LAB，AFD的长度等于AE的长度LAE，c为海水中的声速.联立方程（1）～（5）便可求出水听器与发声中华白海豚之间的距离R（见方程（6）），R是推算click信号传播损失的一个重要参数.

其中，

LAG为水听器与发声中华白海豚的水平距离.

在方程（6）中，方程右边的参数都是已知量，这样就可以求出中华白海豚与水听器之间的距离R的具体数值，根据R可以计算出传播损失，最终推算出中华白海豚的声源级.

Au等［9］认为海豚的click信号通常只在短短几百米距离范围之内使用，故可以把click信号的扩展损失当作球面扩展损失，从而得到传播损失TL，方程如下：

方程（7）中，α为声吸收系数，它的取值与频率密切相关［8］.

由水声传播原理可知，浅海声传播非常复杂.根据声源到声接收点处的距离可以把传播损失分成3段［13］.当声源到声接收点处的水平距离r＜H／γ时，传播损失遵循球面扩展规律，H 代表水深，γ为一特定系数；当H／γ＜r＜16 H3／π2γλ2时，传播损失遵循3／2次方衰减规律，λ 为信号波长；当r＞16 H3／π2γλ2时，传播损失遵循柱面扩展规律.分别计算厦门录音海域以及雷州湾录音海域的参数 H／γ、16 H3／π2γλ2并且与水平距离r进行比较，结果显示r均位于H／γ和16 H3／π2γλ2之间，故传播损失遵循3／2次方衰减规律，传播损失方程修正如下：

接收端的click信号的峰峰声压级SPL可以直接得出，然后补偿传播损失，最后可反推出发声中华白海豚的峰峰声源级SL，如方程（9）所示：

图5 浅海中华白海豚click信号多径传输示意图Fig.5 The multipath propagation of click of S.chinensis in shallow water

2）2个海域中华白海豚峰峰声源级比较

根据上文提到的声源级推算方法，对两海域中华白海豚的峰峰声源级进行计算与比较.结果表明：厦门海域中华白海豚峰峰声源级最小值为166.9 dB，最大值为199.6dB，平均值为（179.4±8.7）dB.雷州湾中华白海豚峰峰声源级最小值为188.9dB，最大值为218.3dB，平均值为（204.1±5.4）dB，对3个变量进行横向比较，厦门海域中华白海豚峰峰声源级均明显低于雷州湾中华白海豚峰峰声源级.中华白海豚的声源级的高低与海洋环境背景噪声级的高低密切相关.厦门录音海域海况极佳，接近0级海况，且整个录音过程未现降雨，海域附近未观测到海洋工程施工.广东雷州湾录音点海况良好，海况为2级，且整个录音过程未现降雨，同样未观测到海洋工程施工.广东雷州湾录音点靠近湛江港，位于航道上，2011年湛江港货物总吞吐量达到了1.553 9亿t［14］，海上交通十分发达.而厦门录音海域靠近英雄三岛，录音过程未观测到船舶，且偏离主航道.因此可推断雷州湾录音点的海洋背景噪声级要远高于厦门录音海域.为了进行抗噪声目标定位，雷州湾中华白海豚需要发射更高声源级的click信号.此外，探索或定位目标性质、中华白海豚的种类、年龄、性别和所生活的水下地理环境，可能是造成2个海域中华白海豚的声源级差异显著的因素.

4 讨 论

根据单个click信号中所含完整波形个数把click信号分成5类，2个海域中华白海豚的click信号均以含4个及以上波形为主，各自所占数量比例均在77%以上，含1～3个波形的click信号所占数量比例很小，尤其是含1个波形的click信号数量比例均在2%以下.2个海域含4个及以上波形click信号的时长存在显著差异.厦门海域中华白海豚同一click信号串中相邻click信号时间间隔变化范围为7.8～349.2ms，然而在雷州湾的中华白海豚该值为3.3～124.3ms，前者时间变化范围明显大于后者.雷州湾中华白海豚的峰峰声源级平均值为（204.1±5.4）dB，而厦门海域中华白海豚的该值仅为（179.4±8.7）dB，前者明显高于后者.从以上参数对比结果来看，2个海域的中华白海豚click信号存在显著差异.

对于野生中华白海豚声源级的研究，目前仅停留在合理性的推算阶段，对野生中华白海豚声源级的现场测量是未来的一个工作方向.野生中华白海豚数量稀少，并且它们的行为踪迹有很大的不确定性，这就给野生中华白海豚声信号采集工作造成了一定的困难.今后要继续丰富中华白海豚声信号的数据量，改进中华白海豚声信号的分析方法，从而更加全面准确地了解中华白海豚声学特性.

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