БИОФИЗИКА, 2014, том 59, вып. 1, с. 169-184
БИОФИЗИКА СЛОЖНЫХ СИСТЕМ
УДК 599.537:534.28:534.75
АКУСТИЧЕСКИЕ СИГНАЛЫ И ЭХОЛОКАЦИОННАЯ СИСТЕМА ДЕЛЬФИНА
© 2014 г. В.А. Рябов
Карадагский природный заповедник НАН Украины, 334876, Феодосия, Курортный район, Крым, Украина
E-mail: ryaboff@ukr.net Поступила в p едакцию 10.12.12 г. После последней доработки 24.10.13 г.
Двухканальная регистрация акустических сигналов двух квазистационарных дельфинов дала основания полагать, что эхолокационная система дельфина более сложна, чем это обсуждалось ранее, и имеет по меньшей мере четыре сонара. В работе продолжены двухканальная регистрация, анализ и интерпретация функций акустических сигналов двух квазистационарных дельфинов с точки зрения физической акустики, теории сигналов и эхолокации. Полученные результаты указывают на то, что эхолокационная система дельфина имеет четыре органа, продуцирующие пять различных типов зондирующих сигналов, предполагающих различные механизмы обработки эхосигналов в слуховой системе дельфина, соответствующих шести различным типам сонаров. Результаты работы имеют значение для изучения эхолокационной системы Odontoceti и совершенствования эхолокационной техники.
Ключевые слова: дельфин, сонар, акустический, эх о, сигнал, направленность, пачка импульсов, радиолокатор.
Эхолокатор дельфина исследуется с шестидесятых годов прошлого века. К настоящему времени изучены способности дельфина к эхо -локационному различению, распознаванию и классификации подводных объектов [1—10]. В качестве зондирующих сигналов эхолокатора автор ы рассматривали короткие стереотипные акустические импульсы дельфина (длительностью около 0,05 мс) с шир оким спектром частот (2-200кГц), так называемые «щелчки». Как пра -вило, каждый следующий «щелчок» дельфин излучал после того, как получал эхо от предыдущего плюс дополнительный пер иод (1545 мс), необходимый для обработки эха. Было также показано, что при продуцировании и формировании направленного излучения «щелчков» важную р оль играют пр авый тубу-ляр ный мешкок, лобно-жировой выступ и кости черепа дельфина [11—15]. Другие акустические сигналы дельфина - «свисты» и пачки импульсов - рассматривались в основном в качестве коммуникационных сигналов [16-26].
Однако двухканальная регистрация акустических сигналов двух квазистационар ных дельфинов дает основания полагать, что эхолока-ционная система дельфина и, по-видимому, ОёоШосв11, более сложная, чем это обсуждалось
Сокращение: АЦП - аналого-цифровой преобразователь, УЗД - уровень звуковых давлений.
ранее, и имеет по меньшей мер е четыре сонара разных типов [27]. Каждый сонар, видимо, имеет соответствующий орган, продуцирующий со -ответствующий тип зондирующих сигналов независимо («щелчки», пачки некогерентных импульсов, пачки когерентных импульсов, «свисты»), что предполагает соответствующий им метод обработки эхосигналов. Вследствие этого характеристики акустических сигналов дельфина определены их функциональностью и оптимальны с точки зрения современного состояния физической акустики.
В настоящей работе пр одолжено изучение характеристик и возможных функций акустических сигналов дельфина с точки зрения эхо -локации, физической акустики и теории сигналов. Конкретные задачи работы - регистрация и последующий анализ акустических сигналов двух квазистационарных дельфинов одного вида двухканальной системой в полосе частот 0,1-220,0 кГц в условиях бассейна.
МЕТОДИКА
Эксперимент проводили с двумя взрослыми черноморскими дельфинами (Tursiops гтипсШш р.) с кличками «Яша» (самец) и «Яна» (самка), в закрытом бетонном бассейне размерами 23 х 9 х 4,5 м Карадагского природного заповедника
Рис. 1. Конфигурация эксперимента. (а) - 1 и 2 - гидрофоны первого (I) и второго (II) канала соответственно расположены на расстоянии 3,5 м друг от друга и глубине 1 м; 3, 4 - дельфины Яна и Яша соответственно. Расстояние между дельфинами около 1 м; 5 - мостки, расположены на 0,1 м выше уровня воды; 6, 7 и 8 -длинная, короткая стенки и дно бассейна соответственно. Расстояние между гидрофоном (2) и стенкой (6) 0,3 м. Расстояние от гидрофонов (1, 2) до стенки (7) 3 м. Уровень воды в бассейне 4 м. (б) - Фотография квазистационарного положения дельфинов во время записи сигналов.
НАН Украины. Дельфины находятся в бассейне около 20 лет и имеют нормальный слух.
Конфигурация эксперимента была такая же, как в работе [27] (см. рис. 1). Эксперимент выполнялся без специальной др ессир овки и без пищевого подкр епления дельфинов. Акустические сигналы дельфины свободно продуциро-вали по своему желанию, по-видимому, не по-дозр евая, что их записывают. Сигналы записа -ны двухканальной системой в те промежутки времени, когда дельфины держались у поверхности воды у мостков, почти без движения, т.е. квазистационарно (рис. 1) относительно гидрофонов и друг друга. Двухканальная запись фиксирует не только временную, но и про -странственную информацию о сигналах, и в этом ее главное преимущество по сравнению с одноканальной. Расстояние между гидрофонами I и II канала было выбрано равным 3,5 м, чтобы получить необходимую для анализа межканальную разницу амплитуд и времени прихода каждого сигнала, а также чтобы расположить их в дальнем акустическом поле дельфина (приблизительно 1,5 м). В то же время гидрофоны были погружены на глубину 1 м для того, чтобы уменьшить вер оятность экра -нирования сигналов в направлении дальних от каждого животного гидрофонов телом другого животного. Для регистрации сигналов животных, отраженных от границ бассейна, гидро-фоны были расположены таким образом (рис. 1а), чтобы один из них - гидр офон (2) -находился близко у стенки бассейна, а другой -гидрофон (1) - посер едине бассейна. Благодар я этой методике все записанные сигналы были сопоставлены как дельфинам, так и их отра-
жениям от границ бассейна. Вместе c тем была зафиксирована динамика изменения межканальных уровней сигнала, отображающая динамику изменения характеристики направленности излучения сигналов. Для этого была учтена разница моментов времени прихода и разница амплитуд данного сигнала на гидрофонах I и II канала, а также известные расстояния между дельфинами, гидрофонами и границами бассейна.
Гидрофоны (1 и 2) - сферические, диаметром 14 мм, изготовлены из пьезокерамики, имеют калиброванную чувствительность -203,5 и -206 дБ относительно 1 В/мкПа, или 66,5 и 50 мкВ/Па соответственно. Частотная хар актеристика гидрофонов имела неравномерность ± 3 дБ до частот около 160 кГц и ±10 дБ до частот около 220 кГц. Каждый канал записи сигналов состоял из гидрофона, фильтр а верхних частот (0,1 кГц), усилителя напряжения (40 дБ) и одного из каналов многоканального 14-разрядного аналого-цифрового преобразователя (АЦП) USB-3000. Динамический диапазон АЦП - 81 дБ, частота дискретизации каждого канала АЦП -1 МГц. Оцифрованные сигналы дельфинов с АЦП непрерывно записывали на жесткий диск ноутбука. Запись и обр аботку сигналов осуществляли с помощью пакетов программ Power-вгарЬ 3.3.8 и Adobe Audition 3.0. Спектры и сонограммы сигналов были рассчитаны с использованием быстрого преобр азования Фур ье на 1024 точки с весовой функцией Хэмминга. Форма зарегистрированных акустических импульсов сложная, поэтому при измерении их длительности выбр ан уровень -20 дБ. Для достоверности выполнено большое количество за-
писей акустических сигналов дельфинов. Для анализа и обсуждения была выбрана одна из наиболее характерных записей (рис. 2). Во время записи сигналов других животных в бассейне не было.
РЕЗУЛЬТАТЫ
На рис. 2 показана временная последовательность всех акустических сигналов, продуцированных дельфинами на протяжении 36,7 с записи. Сигналы, продуцированные дельфинами Яной и Яшей, обозначены соответствующим символом на I (II) канале. В связи с тем, что акустические сигналы имеют шир окий динамический диапазон уровней звуковых давлений (УЗД), масштаб по оси ординат (рис. 2а) выбран таким, чтобы показать расположение всех сигналов. Свисты и когерентные импульсы имеют относительно низкие УЗД (-60 --36 дБ относительно 1000 Па), поэтому показаны в более удобном масштабе по оси ординат на р ис. 2б (сигналы с УЗД > -30 дБ на этом рисунке ограничены).
Импульсные сигналы дельфины продуциро -вали пачками. Как правило, пачки импульсов одного типа разделены временными интервалами (сотни миллисекунд - единицы секунд), во много раз большими межимпульсных интервалов (гт) в пачках (0,8-300 мс). Горизонтальная линия в обозначении пачек (рис. 2) указы -вает их длительность. Зарегистрированные акустические сигналы дельфинов разделены на пять различных типов в соответствии с их характеристиками.
Пачки некогерентных импульсов (рис. 2, 3, 7, табл. 1) обозначены условным знаком «стрелка, п» (где п - порядковый номер сигнала) в месте локализации сигнала соответственно. Стрелки направлены от продуцента импульсов. Форма этих импульсов сложная (рис. 3) и изменялась от импульса к импульсу в каждой пачке. В связи с этим спектр каждого импульса состоит из множества (20-30) экстремумов, размещение и уровень которых изменяются от импульса к импульсу, поэтому они были названы автором некогерентными импульсами [27]. Энергия составляющих спектров некогерентных импульсов быстро спадает на частотах ниже 10 кГц и выше 140 кГц (рис. 3). Амплитуда звукового давления некогерентных импульсов достигала 15-1000 Па. Пачки некогерентных импульсов содержали от 4 до 24 импульсов с межимпульсными интер валами от 260 до 18 мс. Межимпульсные интер валы на протяжении пачки импульсов, как правило, плавно изменялись. Относительные изменения межимпульсных ин-
тервалов в пачке достигали 9,72 (табл. 1). Длительность некогерентных импульсов изменялась от 0,14 до 0,6 мс.
Пачки универсальных импульсов (рис. 2, 4, 5, табл. 2) описаны впервые, обозначены на рисунках условным знаком рп (где п - порядковый номер сигнала) в месте локализации сигнала соответственно. Форма этих импульсов сложная. Межимпульсные интервалы, амплитуда, форма и спектр универсальных импульсов могли плавно (от импульса к импульсу) изменяться в пределах пачки. УЗД этих
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.