Исследование широкополосных акустических сигналов гидробионтов

Внедрение: 2020 г.

Коллективом исследователей была проведена сравнительная оценка биоакустической активности и интерпретация результатов измерений параметров сигналов гидробионтов представителей Белого и Черного морей (белухи, афалины и рачка-щелкуна), использующих сверхширокополосные гидроакустические простые и сложные сигналы [1].
В проведённых опытах использовалась широкополосная многоканальная система регистрации биоакустической активности на основе модуля E20‑10 в условиях полного контроля акустической и видеообстановки, связанной с решением конкретной акустической задачи. Эта же аппаратура использовалась при регистрации акустической активности рачка-щелкуна в шельфовой зоне Черного моря.

Регистрация сигналов осуществлялась с помощью 3‑х канального широкополосного автономного комплекса в полосе частот до 600 кГц. Преобразование сигнала проводилось с помощью 14‑разрядного АЦП Е20‑10 с частотой дискретизации 2,5 МГц.

Тестирование оборудования проводилось при регистрации сигналов в бассейне на дельфинах Tursiops truncatus ponticus и в открытой воде при регистрации сигналов рачка-щелкуна с помощью гидрофона фирмы RESON TC4014‑5 (с предусилителем, расположенным непосредственно у датчика) с полосой частот до 480 кГц. В шельфовой зоне регистрация сигналов проводилась с помощью одного приемника в полосе до 600 кГц с частотой дискретизации до 5 МГц и двух приемников с частотой дискретизации 1 МГц и 5 МГц. Временная обработка проводилась с помощью программ PowerGraph, Adobe Audition. 

В качестве контроля правильности регистрации сверхширокополосных сигналов морских гидробионтов аппаратная часть тестировалась с помощью синтезируемых однопериодных импульсов 100 кГц и 300 кГц. Результаты тестирования приведены на рисунке 1.

В качестве тестового сигнала использовались однопериодные импульсы, синтезируемые с помощью генератора RIGOL DG1022. Представленные результаты тестируют весь сквозной тракт от предусилителя, включая АЦП Е20‑10 при частоте дискретизации 2,5 МГц. Точки на осциллограммах соответствуют значениям квантования импульса.

Рисунок 1. Спектрально-временные параметры тестовых импульсов и разброс значений измеренных интервалов между экстремумами: а – осциллограмма однопериодного импульса 100 кГц и 300 кГц, б – спектральная плотность мощности этих импульсов, в – график изменения интервала между экстремумами в зависимости от номера импульса по порядку с использованием интерполяции.

В процессе совершенствования аппаратно-программного комплекса появились новые факты, расширяющие представления о возможностях биологических систем во время излучения гидроакустических сигналов. Для китообразных излучение ультразвуковых сигналов связано с ориентацией в трехмерной среде, обнаружением и распознаванием подводных объектов, поэтому разнообразие излучаемых сигналов связано с преодолением различных естественных и антропогенных помех. Для других гидробионтов, в частности раков-щелкунов, излучаемый импульс может служить для добывания пищи с помощью мощного акустического удара. На рисунке 2a представлена осциллограмма полной последовательности сигналов эхолокации Тигsiops truncatus ponticus при решении задачи обнаружения на дистанции 600 м. 

Рисунок 2. Полная последовательность пакетов ультракоротких импульсов (УКИ) при решении задачи обнаружения на дистанции 600 метров: а – осциллограмма; б – динамический спектр в полосе частот до 200 кГц; в – динамический спектр в полосе частот до 45 кГц.

Для сравнения на рисунке 3 представлена полная последовательность импульсов эхолокации дельфина Tursiops truncatus ponticus при решении задачи обнаружения подводных объектов в условиях низкочастотной антропогенной помехи до 10 кГц при дальности до цели 200 м. 

Рисунок 3. Последовательность пакетов УКИ импульсов при решении задачи обнаружения в условиях низкочастотный антропогенной помехи: а – осциллограмма; б – динамический спектр в полосе частот до 200 кГц; в – динамический спектр в полосе частот до 45 кГц.

В эксперименте по исследованию эмоциональных сигналов при вербальном взаимодействии с собственным изображением на подводном мониторе самки дельфина белухи Delphinapterus leucas, полученного с помощью веб-камеры, зарегистрированы акустические последовательности пакетов импульсов, осциллограммы и спектрограммы которых представлена на рисунке 4.

Рисунок 4. Последовательность пакетов УКИ импульсов при вербальном взаимодействии с изображением на подводном мониторе: а – осциллограмма; б – динамический спектр в полосе частот до 700 кГц; в – динамический спектр в полосе частот до 45 кГц.

На рисунке 5 представлены результаты анализа регистрации пакетов импульсов при вербальном взаимодействии самца белухи Delphinapterus leucas, с собственным изображением на подводном мониторе. 

Рисунок 5. Полная последовательность пакетов УКИ импульсов при вербальном взаимодействии с изображением на подводном мониторе: а – осциллограмма; б – динамический спектр в полосе частот до 700 кГц; в – динамический спектр в полосе частот до 45 кГц.

Для оперативной проверки комплекса регистрации с расширенным частотным диапазоном проведены дополнительные измерения в условиях бассейна на дельфинах Tursiops truncatus ponticus с хорошо изученным частотным диапазоном сигналов эхолокации и сигналов коммуникации (свисты). На рисунке 6 представлены результаты регистрации сигналов дельфина, записанные в закрытом бассейне.

Рисунок 6. Два пакета импульсов с различными временными и спектральными характеристиками: а – осциллограмма (амплитуда нормирована); б – динамический спектр; в – динамика изменения интервала между импульсами в зависимости от номера интервала по порядку; г – динамика изменения интервала между экстремумами в зависимости от номера УКИ импульса по порядку.

На осциллограмме (рисунок 7а) представлен фрагмент записи акустического импульса, издаваемого рачком-щелкуном. 

Рисунок 7. Импульс, сформированный с помощью клешни рачком-щелкуном (Черное море): а – осциллограмма импульса; б – спектральная плотность мощности (окна анализа – 1024).

Авторский коллектив: Иванов М.П., Стефанов В.Е. (Санкт-Петербургский государственный университет), Бибиков Н.Г. (АО «Акустический институт им. ак. П.П. Андреева», Москва), Данилов H.A., Соколов П.А. (Государственный научно-исследовательский институт прикладных проблем, Санкт-Петербург), Романов Б.В., Красницкий Б.Ю. (Карадагская научная станция им. Т.И. Вяземского – природный заповедник РАН», АР Крым, Феодосия, Курортное).

Источник:
Иванов М.П., Бибиков Н.Г., Данилов H.A., Соколов П.А., Романов Б.В., Красницкий Б.Ю., Стефанов В.Е. Сравнительная оценка эхолокационных и коммуникационных сигналов дельфинов // Ученые записки физического факультета Московского университета. – М., изд-во: МГУ. – 2020. – № 1. – С. 2010903‑1 – 2010903‑8.

Разработчик: Иванов М.П., Бибиков Н.Г., Данилов H.A., Соколов П.А., Романов Б.В., Красницкий Б.Ю., Стефанов В.Е.