泰国海域儒艮发声分类及特征

王晓燕姜 莹刘宗伟杨春梅段德鑫吕连港

(1.自然资源部 第一海洋研究所,山东 青岛 266061;2.自然资源部 海洋环境科学与数值模拟重点实验室,山东 青岛 266061;3.山东省海洋环境科学与数值模拟重点实验室,山东 青岛 266061;4.青岛海洋科学与技术试点国家实验室 区域海洋动力学与数值模拟功能实验室,山东 青岛 266237)

儒艮(Dugong dugon),类属海牛目、儒艮科、儒艮属,是一种濒危的草食性海洋哺乳动物,也是目前海牛目中仅存的四大物种之一,在2008年被列入《世界自然保护联盟濒危物种红色目录》[1]。儒艮主要栖息于热带和亚热带的浅海区域[2-5],如澳大利亚海域、泰国海域等,其中澳大利亚海域是目前世界上儒艮群体数量分布最多的海域[4]。解剖学和声学证据表明,儒艮可以发出多种声音,并具有声接收能力[6-7]。儒艮利用主动发声进行个体间的通信交流[8],不同类型的声信号可能对应着它们不同的行为。因此,研究儒艮发声及其信号特征有助于认识和了解儒艮的行为,从而有针对性地指导建立其有效的保护系统。

目前,研究儒艮的区域主要集中于澳大利亚的鲨鱼湾海域和泰国的立邦岛附近海域[4-19]。根据研究报道[4,9],澳大利亚海域的儒艮声信号主要分为4种类型:chirp(chirp-squeak)、trill、bark和转换声(pretrill和prebark)。Anderson和Barclay[4]根据信号的频率和幅度将澳大利亚海域的儒艮发声信号分为chirpsqueak、trill、bark、pretrill和prebark 五种类型,并统计了这5种类型信号的特征,研究结果表明:chirp是一种简单的调频信号,频率范围为3～18 k Hz,持续时间约为0.06 s,有2～5次谐波;bark信号是一种宽带信号,频率范围为500～2 200 Hz,持续时间在0.03～0.12 s,有5次谐波;trill是调频信号,持续时间为0.1～2.2 s,频率范围为3～18 k Hz,有2～4次谐波。pretrill被认为是chirp-squeak和trill之间的过渡信号,而prebark被认为是chirp-squeak和bark之间的过渡信号。pretrill的持续时间比trill的持续时间短,prebark的频率低于chirp-squeak的频率[4]。以往有关泰国海域儒艮的研究主要集中于儒艮的声学行为方面,包括儒艮对不同类型声信号刺激的反应[3,8]、昼夜和潮汐对儒艮活动的影响[17]以及不同儒艮群体的分布模式[18]等。目前,专门针对儒艮声信号的类型和特征的研究尚未见报道,已有研究只是将儒艮声信号按照持续时间分为长时信号和短时信号,其中长时信号与Anderson 和Barclay[4]的研究中的trill相对应,频率为(4 152±1 111)Hz,持续时间为(1.737±1.049)s;短时信号为chirp,平均频率为(4 521±1 615)Hz,平均持续时间为(0.126±0.087)s[17]。

本文基于泰国立邦岛附近海域儒艮的声学观测数据,根据信号的时频谱特征,结合已有的澳大利亚海域儒艮声信号的分类结果,研究泰国海域儒艮声信号的类型和特征。通过分析儒艮声信号持续时间和频率的差异,将观测到的声信号分为4种类型:chirp、trill、bark和whistle,并统计分析每种类型信号的声学参数,包括基频的开始频率、结束频率、最大频率、最小频率、持续时间和拐点个数以及信号的峰值频率和谐波数量,以期提高人们对儒艮发声的认知水平。

1 数据采集与处理方法

1.1 数据采集

2019年3月20日至28日,自然资源部第一海洋研究所海洋环境科学与数值模拟实验室的科研团队在泰国立邦岛附近海域开展了水下声学观测。本次观测共设置了2个观测点,如图1所示。观测点1(99°26′E,7°13′N)处水深较浅,深度在4 m 左右;观测点2(99°24′E,7°12′N)处水深较深,约6 m。观测期间海域水温为30～31 ℃,海况为0～Ⅰ级。

图1 声学观测位置Fig.1 Locations of acoustic observations

本次观测使用了2套自容式声学信号记录仪LoPAS。LoPAS的采样频率设置为128 k Hz,分辨率为24 bit,采用4节1号干电池供电,能连续工作20 d;水听器的灵敏度为-196 dB(0 dB 1 V/μPa),频率响应范围为2 Hz～50 k Hz,观测期间水听器均放置于海底上方1 m 处。观测声学参数的同时,利用无人机进行视觉观测,以判断儒艮是否出现。LoPAS数据文件存储于2张128 GB的SD 卡上,2个观测点均每间隔1到2天更换一次存储卡,以防设备及数据丢失,每次更换时间不超过10 min。

1.2 声信号特征提取

观测获得音频文件21 905个,共计731 GB。将获取的音频文件导入到Adobe Audition 2020(Adobe System Incorporated,San JoseCA)软件中,结合以往对儒艮声信号的研究,通过听声音和观察时频图,以及根据信号的持续时间、频率及声音等特征筛选儒艮的声信号,截取保存为音频文件。利用MATLAB(The Mathworks Incorporated,Natick,MA,USA)编写一个数据处理软件,该软件具有2个功能:一是可以生成时频图,二是可以提取信号轮廓。将截取的声信号文件导入该软件中生成时频图,时频分析时的窗长、重叠点数和傅里叶变换的点数分别为4 096、2 048和4 096。对时频图中的信号采用描点法提取信号的轮廓,提取的轮廓信息自动生成含有时间和频率信息的文本文件,用MATLAB编写信号特征参数提取程序来处理上一步产生的文本文件,得到基频开始频率、基频结束频率、基频持续时间等信号参数。

2 结果与分析

数据处理后共获取了7 550个儒艮声信号,参考澳大利亚海域儒艮声信号的类型[4],通过分析本次观测数据的时间频率特征,将获取的信号分为4 种类型:chirp(图2a)、trill(图2b)、bark(图2c)和whistle(图2d),其中chirp、trill和whistle三种声信号类型具有谐波结构,如图3所示。chirp、trill和bark三种类型与澳大利亚海域儒艮声信号类型一致,whistle信号是本文新定义的chirp和trill之间的过渡信号,其持续时间长于chirp、短于trill,在以往对澳大利亚海域儒艮的研究中也提到了儒艮的whistle信号,但没有具体的定义和特征描述[20]。统计结果表明,这4类声信号中chirp信号的数量最多(n=6 524),超过总信号数量的86%;而bark的数量最少(n=40),不足1%;trill(n=527)和whistle(n=459)分别约占总信号数量的7%和6%。

图2 儒艮4类信号的时频Fig.2 Time-frequency diagrams of the 4 categories of signals of dugongs

图3 带谐波的3类信号时频Fig.3 Time-frequency diagrams of the 3 categories of signals with harmonics

在7 550个儒艮声信号中选取了2 343个高信噪比、轮廓清晰且无重叠的信号进行特征提取,包括1 537个chirp、305个trill、485个whistle和16个bark。对各类信号基频的开始频率、结束频率、最大频率、最小频率、持续时间和拐点个数,以及信号的峰值频率和谐波数量进行了平均值(x-)、标准差(s)、最小值和最大值(即范围Range)的统计,结果如表1所示。

表1 儒艮4种信号类型特征参数Table 1 Acoustic parameters of the 4 categories of signals of dugongs

Chirp是一种简单的窄带调频信号,持续时间较短,约为0.09 s,有1～5次谐波,基频频率范围在0.99～12.84 k Hz,最高频率在14.39 k Hz以下。信号轮廓拐点个数≤1,对于有谐波的chirp信号,2次谐波较多,高次谐波数量很少。

Trill俗称颤声,持续时间较长,大于0.90 s,具有调制特征,有1～5次谐波,基频频率范围在0.97～9.89 k Hz,最高频率在18.82 k Hz以下。信号拐点个数平均为11个左右。对于有谐波的trill信号,谐波数量集中在2次谐波,高次谐波数量少。

Whistle信号是chirp和trill之间的过渡信号,持续时间一般比chirp长,但少于trill。基频频率范围在1.11～7.69 k Hz,最高频率达16.94 k Hz。有谐波,谐波数量不大于5,大多数为2次谐波。

Bark信号声音类似于狗叫声,信号数量较少,持续时间在0.20 s左右,最小频率在1.00 k Hz以下,信号带宽在0.20～4.00 k Hz,无明显谐波结构。

3 讨论

本研究结果与对澳大利亚海域儒艮的已有研究中测得的声信号类型和特征有所差异,原因是本研究中没有发现chirp和bark之间的过渡信号prebark,信号特征的差异主要表现在频率、持续时间和谐波数量上。Chirp信号频率范围略低于Anderson和Barclay[4]测得的澳大利亚鲨鱼湾的野生儒艮chirp声信号的频率范围,但与Marsh等[19]报道的儒艮chirp基频的频率范围为2～4 k Hz一致。已有记录中chirp信号平均时长为0.06 s[4],比本文中测得的chirp信号的平均时长0.09 s短。本文测得的trill信号的时间和频率信息与已有研究[4]提到的trill信号基本一致。对于bark 信号,信号持续时间比Anderson 和Barclay[4]测得的0.03～0.12 s略长,频率范围比500～2 200 Hz的带宽范围略大。本文获得信号的谐波数量主要为2次谐波,高次谐波的信号数量较少。这些差异可能是由不同海域环境因素所致,因儒艮生活在浅海区域,为适应浅海区域的噪声环境,儒艮可能会调整声信号的结构。Parsons等[9]在鲨鱼湾记录的是4只儒艮从被捕捉到释放过程中产生的声信号,其他研究也都是在有船只存在的情况下记录的儒艮发声[4],船只可能会影响儒艮的发声类型及信号结构特征。

针对泰国海域的儒艮,本研究结果与先前研究[17-18]中提到的同种类型信号特征基本一致。先前研究[17-18]没有提到bark和whistle两种信号,这可能是由观测手段不同所致:本文采用的是连续观测,而Ichikawa等[17-18]仅选取白天的某一段时间进行观测,观测时间的不连续性可能会导致信号类型的缺失。

本文实测的儒艮声信号中chirp信号的使用频率最高,超过总信号使用频率的86%,与已有研究[4]结果一致,据该研究报道,chirp信号是儒艮发出数量最多的信号,是儒艮水下声信号的基本构成。不同信号类型具有不同的社会功能,进而决定了其使用比例。Chirp信号具有测距功能,其使用比例相对较高;bark信号的产生与攻击行为有关,儒艮性情相对温顺,且在熟悉的环境中,儒艮很少会受到挑衅,因此在实测信号中bark信号的数量最少。

4 结论

本文基于泰国立邦岛附近海域的野生儒艮水下发声观测数据,结合已有的儒艮声信号类型研究结果,通过分析儒艮声信号的持续时间和频率差异,将儒艮发声信号分为chirp、trill、whistle和bark四种,并统计分析了这4种声信号的特征。结果表明:儒艮发出的chirp、trill和whistle 三种声信号基频主要处于2.00～5.00 k Hz范围内,这3种声信号单从频率范围上难以进行区分,其主要差异在信号持续时间和信号轮廓的拐点个数上。Chirp信号的持续时间小于0.25 s,信号轮廓的拐点个数≤1;trill的持续时间要大于0.90 s;而whistle的持续时间一般为0.25～0.89 s,当单个信号时长小于0.25 s时,其轮廓拐点个数大于1。Bark信号无明显的轮廓特征,但在声音上类似于狗叫声,与其他3种信号有明显差异。

本文首次定量地描述了泰国立邦岛附近海域观测到的儒艮声信号的特征,并对声信号的类型进行了较定性的归类。这一结果对于完善儒艮声信号数据库具有重要意义,也为进一步开展儒艮的被动声学监测和建立儒艮声信号自动识别模型提供了数据支撑。

本文采用被动声学监测的方法监测声学参数,过程中未受船只和人为因素的干扰,所以能够获取野生儒艮正常活动时的发声,但是在监测过程中由于没有进行近距离的随船视觉观测,导致不能判断儒艮发声与其行为之间的关联。目前对儒艮声信号功能及声信号与儒艮行为的关联等方面的研究很少。为进一步了解儒艮和加强对儒艮的保护,需要开展声学和视觉联合观测,研究儒艮各类发声信号的功能。