生物声学减少噪声

如今,噪声污染的影响正在引起人们越来越多的关注。研究人员为此将一些生物声学设备安置在森林和其他生态系统中,用来监测噪声对鸟类、昆虫和其他动物的影响。随着科技的进步和监测成本的降低,生物声学设备有望成为保护声音环境的重要工具之一。波多黎各的热带生态学家米奇·艾德认为,倾听地球的声音,我们做得还远远不够。

现代生物声学的学科发展趋势及中国机遇

随着数字录音技术、电子学和微电子学、人工智能、信息科学等跨学科领域的技术革新,现代生物声学逐渐与生物学、生态学等学科及关联学科之间形成了广泛的交叉前沿领域。现阶段,现代生物声学主要以生物学、生态学等基础学科的理论方法为指导,着重于揭示环境中各类声音在生物之间以及生物与人类、环境之间的相互作用及相关科学规律,为人类认识、保护和利用生物声学资源提供理论基础和解决方案。本文重点阐述了现代生物声学的学科内涵和学科特征,介绍了动物生物声学、生态声学、水下生物声学、环境生物声学、保护生物声学、计算生物声学以及现代生物声学研究的技术框架等前沿热点和发展趋势,评估了中国生物声学研究的学科现状与发展机遇,并对未来学科建设进行了展望。

中国科学院深海科学与工程研究所海洋哺乳动物与海洋生物声学实验室简介

中国科学院深海科学与工程研究所（简称“深海所”）海洋哺乳动物与海洋生物声学实验室于2012年底在三亚成立，以海洋哺乳动物（包括鲸、海豚、海豹、儒艮等）为研究对象主要开展生物声学、行为生态学、进化和保护生物学方面的研究工作。

中国野生脊椎动物鸣声监测与生物声学研究进展

声音(鸣声)通讯是许多动物类群的重要通讯方式,在动物社群交流和繁殖活动中起着非常重要的作用。采用鸣声通讯的动物类群十分丰富,包括哺乳类、鸟类、两栖爬行类、鱼类和昆虫,这些类群的生境涵盖了陆地、淡水和海洋等各类生态系统。生物声学研究最初以描述动物的声音特征为主。

被动声学监测技术在珠江口中华白海豚监测中的应用

中华白海豚监测有多种方法可以应用,比如截线抽样法、标志重捕法、环境DNA监测、被动声学监测等,这些方法各有优势和不足.中华白海豚生物声学研究,尤其是声呐信号的研究,已经取得了较好的进展,其时频特征、指向性和传播距离等,已经足以为该物种的被动声学监测仪器的研制与数据分析提供支撑.

应用海洋声学遥感技术的领域

声遥感技术在海洋中的应用并不是一个新的领域。从原理上说,电磁波遥感技术(包括卫星遥感和航空遥感)能对海洋表面的某些特征,例如表层水温、波高,悬浮物的扩散范围等,进行有效的遥感测量,而海洋声学遥感系统则可以监测海洋内部某些特性的变化情况。

人耳与声学现象

人们感知世界的一条重要途径是通过人耳对周围声音的接受。振动的声源产生声波,通过空气等媒质传播到我们的耳朵里来,就是我们听到的声音。声波的强度、频率和频谱,一般对应于我们耳朵接收的声音的响度、音调和音品(音色)。现围绕这几个问题作一点较深入的分析。首先,人耳是极其灵敏的。声音的强弱通常用声压来表示。声压的大小是声波扰动时空气的压强围绕大气静压强上下波动的幅度。人耳所能听到的最弱的声音的压强通常为3×10^(-5)Pa,这是非常小的,与大气压之比为10^(-5)/10~5=10^(-10)。

全景超声生物显微镜对人眼睫状沟距离及前房直径的测量

背景睫状沟距离的直接测量对人工晶状体（IOL）植人术中IOL尺寸的选择具有重要意义。全景超声生物显微镜（UBM）的问世使在活体眼直接进行睫状沟距离的测量成为可能。目的探讨人眼前房直径和睫状沟距离之间的相关性及其在不同前房深度人群中的差别。方法将疑似青光眼患者30例30只右眼作为浅前房组，而具有高度近视（-7— -18D）的30例30只右眼作为深前房组。应用全景超声生物显微镜（UBM）进行图像采集，每眼获取焦点位于虹膜平面的眼球水平方向3：00～9：00处的全景截面图像共3张。由同一测量者对每一幅图像的前房直径和睫状沟距离进行测量。取3幅图像测量值的均值为最终测量结果，用独立样本t检验和线性回归方程分析评估前房直径与睫状沟距离测量值的关系。结果浅前房组的30眼中，全景UBM测得的前房直径为（11．49±0．75）mm，睫状沟距离为（10．97±0．86）mm，二者间的平均差值为（-5．14±0．55）mm，差异有统计学意义（t=-5．092，P=0．000），线性回归分析显示二者之间呈线性相关（R2=0．593，P=0．000），Pearson相关系数为0．767。深前房组的30眼中，全景UBM测得的前房直径均值为（12．69±0．67）mm；睫状沟距离为（12．31±0．61）mm，二者之间平均差值为（-0．38±0．17）mm，差异有统计学意义（t=-5．531，P=0．000）；线性回归分析显示二者之间具有显著相关性（R2=0．699，P=0．000），Pearson相关系数为0．836。结论全景UBM测得的睫状沟距离和前房直径呈明显正相关，深前房眼的相关性大于浅前房眼，该结果对于IOL植入术中IOL尺寸的选择具有重要意义。

抹香鲸点击信号的小波能量积累处理

传统的海洋生物声学信号分析处理偏重时域和频域,未能全面利用信号中的有效信息。为了提高抹香鲸叫声点击信号处理和识别能力,基于点击信号的时域、频域以及时频联合特征,开展抹香鲸点击信号的小波多尺度能量积累处理和分析研究,提取小波积累能量特征。抹香鲸叫声实测数据处理结果表明:小波能量积累处理能够区分背景噪声、混响信号和抹香鲸点击信号,并且能够有效去除背景噪声和混响信号,保持点击信号趋势基本不变,大幅度提高点击信号的幅度信噪比,信噪比最大为4.3,适用于复杂海洋环境噪声中的生物声学信号分析处理。

环境DNA技术及其应用

近年来,人类活动影响导致水生态系统遭到破坏,水生生物多样性锐减,水生态功能严重退化并影响人类健康。而生物多样性是维持生态平衡的基础,因此,对水生生物进行监测是开展水生态环境管理和保护的前提。目前,传统的水生态研究主要依赖形态学生物监测,以及通过直接观察、显微镜和生物声学收集数据。然而传统形态学生物监测存在费时费力、成本高、物种分辨度低等诸多缺陷,无法在流域开展大规模、高频率的水生态监测。

大黄鱼的声刺激行为研究

为了解水下强噪声对大黄鱼的影响,结合行为学方法开展了3个年龄的大黄鱼声刺激实验.结果发现:3个年龄的大黄鱼在水中声压约10 Pa时均能对声波发生条件反应,但是,它们的声波敏感频率和直接致死的声压阈值差异较大;1个月幼苗和8个月小鱼的声波敏感频率分别为800 Hz和600 Hz,直接致死的声压阈值约为40 Pa和4 kPa.13个月大鱼的声波敏感频率也在600 Hz,但当声压达到4 kPa时,鱼群受惊吓明显,且未能直接致死.另外,这些曾经暴露在强声波中的各年龄段的大黄鱼在随后48 h里较多出现相继死亡的现象.表明这些长时间暴露在水下噪声中的大黄鱼可能会因累积效应引起行为模式改变和间接致死等慢性危害.

水下打桩和船舶噪声对斑海豹听觉影响的初步分析

通过测定水下打桩和船舶噪声,利用Matlab软件对两类典型海洋噪声的时-频统计特性进行分析,结合斑海豹听阈和发声频域特性,分析水下打桩和船舶噪声对斑海豹的影响.结果表明:水下打桩及船舶噪声的主要能量分布频段(0～4.0 kHz)与斑海豹听阈敏感频段(0.1～100.0 kHz)及发声频段(0.4～1.5 kHz)相重叠;水下打桩噪声所产生的强噪声声源级(206 dB)会高于斑海豹可忍受的最高声源级(190 dB).由此推断,两类噪声会对斑海豹的生境产生严重干扰,轻者可能导致斑海豹的习性改变及感知和交流能力减弱,重者则会造成斑海豹的听阈丧失.本研究为斑海豹的声学保护提供声学参数依据,并为进一步深入研究提供参考.

鸟声研究进展

生物声学是动物行为学与声学之间的交叉学科,由于多学科的相互渗透、相互交流和相互促进,生物声学进入了崭新的阶段,并成为生命科学的热门领域。鸟声研究则是生物声学研究中最为活跃的领域之一。简述了鸟声研究的发展过程、研究方法、研究的领域及其应用。随着科学技术的发展,鸟鸣声的记录和分析手段不断提高,所用录音设备和分析软件更加简便实用;研究内容已经从鸟鸣声的记录渗透到行为学、解剖学、物理声学、神经生理学和系统分类学等领域;将鸟鸣声应用于野生动物监测、农林渔业驱赶害鸟、航空鸟撞以及旅游等方面有十分广阔的前景。分析了中国鸟声研究的动向。

预先暴露低强度噪声对噪声损伤听力保护作用的观察

强噪声暴露可致听力损伤，产生暂时性或永久性听阈偏移。听力损伤程度除和噪声暴露参数有关外，还和听觉系统本身的生理和代谢状态有关［１］。实验证实，外毛细胞在声刺激后有类似耳肌收缩样作用［２］，但这种收缩作用对听力的生物效应还不清楚。低强度无损害性噪声暴露对后来的强声刺激是否有保护作用，国内尚未见有报导。本实验以豚鼠为实验动物，预先暴露低剂量安全噪声，随后暴露能产生听觉损害的强噪声，观察前者对后者的听力损伤有无保护作用。

蟋蟀(Loxoblemmus doenitzi Stein)鸣声的特征和黑蝉(C.atrata Fabricius.)鸣声对其的影响

本文由1741个叫声的分析,给出了蟋蟀的鸣声特征和黑蝉叫声的影响.雄蟋招引声的每个单次叫声(SC)平均含有7.6个节拍,每个含有2个脉冲列组,每组含有4个主要的调幅脉冲列.每个SC的声长、间隔和平均重复周期(?)及节拍速(?)分别为1.285-1.325s,0.755—0.746s和2.078s及每秒7.6个节拍.鸣声谱的主峰频率(MPF)和MPF下降20db的带宽分别为5223±79Hz和(4498±82)—(5656±68)Hz.正在歌唱的蟋蟀鸣声基本上不受黑蝉自鸣声的影响,但黑蝉的前置自鸣声对蟋蟀鸣声波形有一定的影响.黑蝉的惊叫声不仅对蟋蟀鸣声波形有明显影响,而且时间特性有一定影响,即(?)约缩短一半,(?)的变差明显扩大.但对频率特性都无影响.

听觉基础研究的若干问题展望(Ⅰ)

一、前 言 气象万千的声音世界所诱发的听觉现象,一直是个多学科研究课题。几十年来,声学、生理学、心理学、语言学和工程技术等领域的学者,从各自关心的方面,引进一些新方法和新观点,为听觉研究的深入进展做出了贡献。近十年来,随着高科技的推广应用,多学科群策群力取得的成果尤其显著。因此,不少学者满怀信心的预言,未来十年将是听觉科学极富创造性和令人鼓舞的时期,许多长期悬而未决的理论和实际问题将得到解决。本文拟从声学的角度,对听觉基础研究中三个主要方面。

Beta声学指数的特征和应用

随着录音设备性能的提高和硬件价格的降低,基于录音评估声景来反映生境特征和生物多样性的方法得到快速发展。声学指数是对声音整体特征的量化,受到录音生境和生物组成的共同影响,因此可构建声学指数与生境特征和生物组成的关联。按照作用的尺度,声学指数可分为两类:反映录音内信息的alpha声学指数和比较不同录音之间差异的beta声学指数。随着录音设备的普及,以及在大尺度上进行生物监测工作的增加,对不同时间、不同地点的录音进行比较的需求日益迫切。因此,beta声学指数的开发和应用是声学指数研究的重要方向。本文介绍了11个常用的beta声学指数,并探讨了这些指数的数学特征(非负性、同一性、对称性、直递性、有限性)。本文还通过文献检索获取了beta声学指数在实证中的应用情况,发现研究中常使用beta声学指数反映时间节律、生境特征的差异或生物组成的改变。最后,本文指出了beta声学指数研究/应用中迫切需要发展的3个方向:开发新的指数、优化已有指数的计算方式、增加实证研究。

基于仿生特征模式匹配的海洋动物声信号识别

针对小数据量的海洋动物声信号混合识别,将声信号同态分析过程中的线性频率转换为Mel频率,得到模拟人耳听觉特性的Mel频率倒谱系数作为声信号的特征。按照声信号所属的物种建立特征模板,使用动态时间规整算法对待识别特征进行分类识别,并对特征库和识别算法进行优化。分别提取了6种鱼类、3种虾类、12种鲸类的Mel频率倒谱系数,为每个物种建立特征模板。分3次对3种、5种、6种鱼类进行识别,分别获得了100%、96.25%、94.68%的识别率。对6种鱼类、3种虾类、12种鲸类共21个物种进行混合识别,总识别率由87.56%提升至优化后的88.96%。实验结果表明,基于Mel频率倒谱系数和动态时间规整算法的海洋动物声信号混合识别能够在小数据量时获得较高的识别率,优化后的特征库和识别算法能够提升识别率。

中华白海豚声接收通道

中华白海豚依靠其回声定位系统进行导航与目标探测.本文利用计算机断层扫描、超声测量与数值模拟研究中华白海豚声呐系统声接收过程.计算机断层扫描结果表明,中华白海豚声接收系统位于下颌区域.声接收通道主要包含下颌骨内侧脂肪、下颌骨外侧脂肪、下颌骨与听小骨.数值模拟结果表明,中华白海豚的声接收通道具有多样性.声波可沿着下颌骨传播至下颌内部脂肪,并随后传导至听小骨处.声波还可以通过下颌骨外侧脂肪进入声接收系统.声接收通道的多样性表明中华白海豚声呐系统的复杂性,探究声接收工作原理能加深下颌脂肪与下颌骨等多相介质形成的系统对声传播的控制,可为人工声接收系统设计提供新思路.

川金丝猴声音的研究进展

川金丝猴是我国特有的濒危灵长类动物,主要分布于四川、甘肃、陕西、湖北的高山森林。在近年国家对生态保护的重视以及众多科研工作者的努力下,川金丝猴的科学研究已经广泛而深入地涉及了行为学、生理学、分子生物学等方面。然而,对川金丝猴声音的研究却相对较少。从川金丝猴的叫声类型以及基本声学参数、叫声特点及作用等方面对川金丝猴声音的研究进展进行了综述,并对今后川金丝猴生物声学研究的方向进行了展望。