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海豚不同个体间发声信号差异性分析

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2024-09-20 22:03

海豚在长期进化过程中形成了一套依靠声波进行通信、定位和环境识别的声纳系统。该声呐系统定位精度高、识别能力强，可以在能见度低的水下环境中快速发现和定位目标，其水下探测与识别效率远远超过人造设备。根据海豚声信号的用途不同，国际上通常将海豚的发声信号分为回声定位信号（Click）、通信交流信号（Whistle）、应急突发信号（Burst pulse）等。

海豚的Whistle信号主要用于海豚个体间的沟通和情感交流。有研究表明，每个海豚个体都有其独一无二的Whistle信号特征，便于同伴对其进行身份识别。

本文围绕不同海豚个体间Whistle信号的特征展开研究，研究了不同瓶鼻海豚个体间Whistle发声信号的特征差异，对4只圈养瓶鼻海豚Whistle 信号的特征参数进行了统计学分析，发现不同海豚个体的Whistle信号的特征参数存在显著差异。从信号持续时间、拐点数、谐波数、基波最高和最低频率5个特征参数的角度分析了不同海豚个体间Whistle声信号差异及规律。结果表明，在采集的四只海豚Whistle信号中，母海豚的最高频率更高、最低频率更低，发声频率范围更大；此外，孕期海豚Whistle信号的特征明显区别于其它个体，谐波数明显多于其它海豚且发声持续时间更长。研究有利于进一步了解海豚声信号语义，对海豚资源的监测保护及其声信号的仿生应用等有重要意义。

一

研究现状

我国对海洋哺乳动物声信号的研究相比国外较晚，最早主要集中在海豚声音信号的时频特征等物理性质研究，近几年对海豚发声机理、行为、资源等方面也有较多研究。

王丁和王克雄等人主要进行了白鱀豚声信号特征、行为等研究。薛山花等研究人员对海洋馆收集的海豚声信号进行了数据分析。厦门大学许肖梅等研究人员除了对不同海豚声信号特征进行研究外，还进行了海豚Whistle信号的谐波特性研究、信号声源级测算方法研究。厦门大学张宇团队重点关注了海洋哺乳动物的发声机理等生理学研究以及生物声呐的仿生技术研究。深海所李松海团队主要进行海洋哺乳动物生态保护、生物声呐与听觉、水下噪声对海洋生物的影响等方面的研究。

国外对于海豚发声信号的研究起步更早且更深入，特别是对海豚声信号分类、特性分析、声学鉴别等方面，在Whistle信号研究方面，1998年Murray等使用自组织神经网络将伪虎鲸的哨声分成了五类。2004年Gillespie利用边缘检测算法提取了哨声轮廓。2007年Oswald和Rankin等人通过判别函数和分类回归树算法来实时区分不同物种之间的哨声。2014年Parada根据时频图中Whistle频率轮廓的可预测性提出了一种用高斯混合模型分类器去分辨信号的检测方法。

以上资料表明，国内外的研究热点聚焦于声信号特征分析、声学仿生、声信号检测识别等方面，对于海豚个体间发声信号差异的研究较少。本文重点关注不同海豚个体间Whistle信号的特征差异。

二

海豚声信号的采集及统计分析

为研究海豚Whistle信号的个体差异，本文单独采集了4只圈养瓶鼻海豚的发声信号，并对他们的Whistle信号进行了分析。四只海豚的具体资料如表1所示。

实验数据采集所用水听器型号是Ocean Sonics公司的icListen HF，该设备最高支持512k采样率，符合海豚发声信号采集所需。

如图1为典型的多拐点及多谐波Whistle信号时频图。根据Whistle信号的特点，本文选取4只瓶鼻海豚相同外界条件下各20个Whistle信号，对持续时间、拐点数、存在谐波数、基波最高频率、基波最低频率等5个特征参数进行提取及数据统计分析。

图1 瓶鼻海豚Whistle时频图（多谐波）

对提取的特征参数进行初步分析，以四头海豚为组别计算不同特征参数的差异系数，以表征其特征参数的离散程度以及平均值的代表性。差异系数公式如下：

其中，N=20，μ为平均值。

从表2中数据可以看出，拐点数、谐波个数的差异系数普遍较大，说明其参数分布较为分散，且不同海豚个体的拐点数对应的差异系数差别很大；而持续时间、基波最低频率、基波最高频率等特征参数的差异系数较小。其中，基波最高频率的差异系数最小，四只海豚的差异系数均值仅为4.5%，表明基波最高频率的数值较为集中，其平均值能很好的反应总体情况。

注：SS为平方和，df为自由度，MS为均方，F为检验统计量，P-value为显著性水平，F crit为检验临界值。

根据上述差异系数的分析，仅能反应出同一只海豚的Whistle信号的基波最高频率分布较为集中，为研究不同海豚个体间的基波最高频率是否具有显著差异，对四只海豚的基波最高频率进行单因素方差分析，取α=0.05，分析结果见表3。从表中可以看出，P<0.05，且F>Fcrit，说明在α=0.05的情况下，四只海豚的基波最高频率有显著差异。因此，可以通过基波最高频率分析不同海豚个体间Whistle信号的差异。

三

海豚不同个体的哨叫声特征分析

为进一步分析瓶鼻海豚Whistle信号的个体间差异，将提取的不同海豚个体Whistle信号的最高频率、最低频率数据作箱型图，如图2所示。

图2 基波最高（左）、最低（右）频率箱型图

从图中的中位数和平均值可以看出，属于母海豚的3号和1号海豚的基波最高频率普遍性高于公海豚33和东东，基波最低频率低于33和东东，母海豚Whistle信号的频率范围较公海豚的更大；而公海豚33和东东的基波最高频率和基波最低频率的最大最小值及上下四分位数范围更大，表明公海豚的Whistle发声信号的最高、最低频率分布更为分散。

从图3、图4可以看出有孕的1号母海豚的Whistle发声信号持续时间比其他3头海豚更长，且谐波数要明显高于另外三头；其次，性格较为活泼的33的发声持续时间和拐点数也略高于与其它海豚。

图3 持续时间箱型图

图 4 拐点数及谐波数统计图

四

结论

1. 5种Whistle信号特征参数中，基波最高频率的差异系数最小，表明其数值分布最为集中，平均最高频率代表性强。

2. 方差分析表明，四只海豚的基波最高频率存在显著差异。

3. 海豚Whistle信号特征可能受性别的影响，母海豚Whistle信号的最高频率更高，最低频率更低，Whistle信号的频率范围更大。

4. 海豚Whistle信号特征可能与是否怀孕有关，在孕期的海豚Whistle信号的谐波数明显高于其它海豚且发声持续时间更长。

文｜青岛海洋科技中心王一帆袁世鹏

中国水产科学研究院黄海水产研究所张吉昌刘滨

文章摘自2024年第1期《海洋与渔业》杂志

美编：周帆

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