CN108007560A - 一种基于中高频信号的海豚声学保护装置及其保护方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于中高频信号的海豚声学保护装置及其保护方法，涉及海豚声学保护。海豚声学保护装置设有信号产生模块、功率放大模块、阻抗匹配模块、发射换能器和电源模块。宽吻海豚、中华白海豚发声信号测量与分析；宽吻海豚、中华白海豚听觉特性测量与分析，获取其听觉曲线；根据海豚发声信号特性与听觉特性，选定信号频率、波形，设计信号源；根据设计的信号源，搭建声信号发射系统，开展海豚的行为响应测试试验，获取海豚的行为响应门限；利用获取的行为响应门限值，调节信号源的源级，最终确定适合于海豚的基于中高频信号的声学保护方法。
Description
技术领域
本发明涉及海豚声学保护，尤其是涉及水下爆破、水下打桩等涉海工程施工前，采用驱赶海豚至安全距离范围，免受施工产生的水下噪声伤害，从而实现海豚保护的一种基于中高频信号的海豚声学保护装置及其保护方法。
背景技术
海洋哺乳动物是地球上的宝贵自然资源，具有极高的科研、经济和军事价值。我国海域拥有许多中国特有种或世界珍稀物种，如中华白海豚(Sousa chinensis)、宽吻海豚(Tursiops truncatus)、江豚(Neophocaena)等，然而，由于海洋经济活动的飞速发展，这些物种正面临严重的生存危机。尤其是近岸涉海工程施工期产生的水下强噪声，严重干扰了海豚发声和听觉系统，影响其觅食和群体活动，甚至造成听觉器官损伤[1]。如何在施工海域保护海豚的安全，是海洋管理部门面临的难题，目前已成为海洋科研工作者亟待解决的问题。政府和公众热切希望能够有一种行之有效的方法，在发展海洋经济的同时，防止误伤误杀海豚等濒危物种，实现“发展海洋经济与海豚生态保护”双赢。
国内外科学家也都在探索在危险区域保护海豚安全的有效手段，声学技术方面现有的主要方法有三种：一是声墙及噪音驱赶法，利用驱赶船只，在船边设置一排竖直通往水下的竹竿，敲击竹竿在水下产生的声音，阻止海豚误入危险区域，以达到保护目的。这种方法一定程度上能减少水下爆破对海豚的伤害，但过于原始，需要大量物力、财力。二是气泡帷幕法，利用水中管道形成的“气泡帷幕”，吸收爆破冲击波产生的大部分能量，从而减小对海豚的影响。气泡帷幕法，工程量大，目前公开报道来看，应用效果并不明显。三是声信号驱赶法，利用发射海豚敏感频段内的声信号，迫使海豚离开危险区域。该方法简易方便，所需成本小，科学有效，适合工程应用。
声信号驱赶技术国外开展研究较早，已具有商品化的设备，并应用于渔业误捕，但在应用过程中发现：同一声信号驱赶设备对不同种属海豚的作用效果存在较大差异[2]。因此，现有国际商品化的声信号驱赶设备的发声频段和信号波形是否对宽吻海豚、中华白海豚敏感，是否有保护效果，需要在实践中加以探索。由于受到近岸和船舶强背景噪声等因素的影响，导致国外声信号驱赶设备的驱赶距离和效果不佳，也需要不断在实践中加以研究和优化。
目前国外的声学驱赶技术针对港湾鼠海豚研究最多并有较确切的效果结论[3][4]，但对于宽吻海豚、中华白海豚的应用效果，仍未有明确结论；至于商品化设备，国内更是一片空白。
参考文献：
[1]Williams R.,Wright A.J.,Ashe E.,et al.Impacts of anthropogenicnoise on marine life:Publication patterns,new discoveries,and futuredirections in research and management.Ocean&Coastal Management,2015,115:17-24.
[2]T.,Janik V.M.Target-specific acoustic predator deterrence inthe marine environment.Animal Conservation,2014,18:102–111.
[3]Kastelein R.A.,Verboom W.C.,Jennings N.,et al.Behavior avoidancethreshold level of a harbor porpoise(Phocoena phocoena)for a continuous 50kHzpure tone.Journal of the Acoustical Society of America,2008a,123(4):1558-1861.
[4]Kastelein R.A.,Verboom W.C.,Jennings N.,et al.The influence of70and 120kHz tonal signals on the behavior of harbor porpoises(Phocoenaphocoena)in a floating pen.Marine Environmental Research,2008b,66(3):319-329.
发明内容
本发明的目的在于为解决上述问题，提供能适用于宽吻海豚、中华白海豚的基于中高频信号的声学保护，可应用于施工海域、船舶航运、渔网误捕等的一种基于中高频信号的海豚声学保护装置及其保护方法。
所述基于中高频信号的海豚声学保护装置设有信号产生模块、功率放大模块、阻抗匹配模块、发射换能器和电源模块；
所述信号产生模块，可以通过商品化的任意波形发生器或者芯片自定义编程实现，信号产生模块用于产生中高频信号波形，作为信号源，所述信号源具有三种模式，分别为15kHz、20kHz、50kHz的脉冲信号，占空比均为8％；
所述功率放大模块，功率放大模块用于提升信号源输出信号的能量，保证驱赶设备达到一定的源级，是商品化的功率放大器或运算放大芯片组合，所述功率放大器可由前置放大器、驱动放大器、末级功率放大器等组成；所述前置放大器用于匹配作用，信号产生模块的输入阻抗高，可以将前面的信号能量吸收进来，输出阻抗低，可以将信号能量传送出去；所述驱动放大器起桥梁作用，将前置放大器的输出信号放大并驱动末级功率放大器正常工作；末级功率放大器起关键作用，将驱动放大器的电流信号形成大功率信号并决定整个功率放大模块的技术指标。
所述阻抗匹配模块，阻抗匹配模块用于保障高效率将功放输出电功率传到发射换能器上，阻抗匹配可分为窄带匹配和宽带匹配；当发射的频率集中在某一中心频率附近较窄的频带中时，可采用窄带匹配，如换能器发射单频连续信号或单频脉冲信号的情况，本发明的每种模式输出的均是单频脉冲信号，所以采用窄带匹配。
所述发射换能器，是一种电压信号向声压信号转换的设备，发射换能器用于在水中发射声波，一般利用压电陶瓷的压电效应或铁镍合金的磁致伸缩效应进行工作；所述发射换能器包括低频换能器、中频换能器和高频换能器，中高频换能器的工作频率大于10kHz。本发明对应的三种频率信号，换能器输出的声源级分别不小于163dB(re 1μPa)、156dB(re 1μPa)、148dB(re 1μPa)。
所述电源模块采用锂电池或干电池供电，为设备提供电力支持。
所述基于中高频信号的海豚声学保护方法包括以下步骤：
1)宽吻海豚、中华白海豚发声信号测量与分析，获取其波形、频谱分布等信号特性；
2)宽吻海豚、中华白海豚听觉特性测量与分析，获取其听觉曲线，海豚的听觉系统对不同频率不同强度的声信号会做出不同程度的反应，通过电生理测试或听觉行为响应方法，可以测试海豚的听觉能力；
3)根据海豚发声信号特性与听觉特性，选定信号频率、波形，设计信号源；
4)根据设计的信号源，搭建声信号发射系统，开展海豚的行为响应测试试验，获取海豚的行为响应门限；
在步骤4)中，所述获取海豚的行为响应门限，可利用三个行为参数定量分析海豚的行为响应：海豚相对发射换能器的水面距离、露出水面的次数和发出定位click声信号的次数；行为响应门限值可以通过测试试验或者收集资料获取。
5)利用获取的行为响应门限值，调节信号源的源级，最终确定适合于海豚的基于中高频信号的声学保护方法。
本发明基于中高频信号的海豚声学保护，自身具有下列优点及应用效果：
1)本发明基于海豚对不同声信号的听觉行为响应试验，发明过程确定了海豚的最佳驱赶频段、波形形式；
2)本发明的技术适用性强，可全天候使用，通过调节信号源，可适用不同物种，如宽吻海豚、中华白海豚等，并且不受海域限制；
3)本发明的技术转化成熟。该技术转化为设备简易方便，所需成本小，适合不同工程应用，如涉海工程施工、渔网捕捞、网箱养殖等。
附图说明
图1是本发明实施例的组成结构示意图；
图2是本发明实施例的工作流程图；
图3是本发明实施例的宽吻海豚发声信号波形及频谱图；
图4是本发明实施例的中华白海豚发声信号波形及频谱图；
图5是本发明实施例的声学保护信号(15kHz)波形与时频图；
图6是本发明实施例的声学保护信号(20kHz)波形与时频图；
图7是本发明实施例的声学保护信号(50kHz)波形与时频图；
图8是本发明实施例的声学保护信号声源级与海豚听觉曲线。在图8中，曲线a为宽吻海豚听觉曲线，b为中华白海豚听觉曲线。
具体实施方式
为使本发明更浅显易懂，下面结合附图和实施例对本发明结果和工作做进一步说明。
如图1所示，为本发明提供的实施例的组成结构示意图。所述基于中高频信号的海豚声学保护装置设有信号产生模块、功率放大模块、阻抗匹配模块、发射换能器和电源模块；
所述信号产生模块通过商品化的任意波形发生器或者芯片自定义编程实现，用于产生中高频信号波形作为信号源，所述信号源具有三种模式，分别为15kHz、20kHz、50kHz的脉冲信号，占空比均为8％；
所述功率放大模块用于提升信号源输出信号的能量，保证驱赶设备达到一定的源级，是商品化的功率放大器或运算放大芯片组合，所述功率放大器由前置放大器、驱动放大器、末级功率放大器等组成；所述前置放大器用于匹配作用，信号产生模块的输入阻抗高，可以将前面的信号能量吸收进来，输出阻抗低，可以将信号能量传送出去；所述驱动放大器将前置放大器的输出信号放大并驱动末级功率放大器正常工作；末级功率放大器将驱动放大器的电流信号形成大功率信号并决定整个功率放大模块的技术指标。
所述阻抗匹配模块用于保障高效率将功放输出电功率传到发射换能器上，阻抗匹配分为窄带匹配和宽带匹配；当发射的频率集中在某一中心频率附近较窄的频带中时，可采用窄带匹配，如换能器发射单频连续信号或单频脉冲信号的情况，本发明的每种模式输出的均是单频脉冲信号，所以采用窄带匹配。
所述发射换能器是一种电压信号向声压信号转换的设备，用于在水中发射声波，一般利用压电陶瓷的压电效应或铁镍合金的磁致伸缩效应进行工作；所述发射换能器包括低频换能器、中频换能器和高频换能器，中高频换能器的工作频率大于10kHz。本发明对应的三种频率信号，换能器输出的声源级分别不小于163dB(re 1μPa)、156dB(re 1μPa)、148dB(re 1μPa)。
所述电源模块采用锂电池或干电池供电。
图2给出本发明实施例的工作流程图，其基本原理是：基于对海豚发声特性和听觉特性测量分析，初步设计本发明中高频声信号的频率、波形形式以及声源级，然后收集资料或开展海豚行为响应测试，调节并最终确定声信号的参数。
本实施方式，以宽吻海豚、中华白海豚为例，结合本发明提出的声学保护技术工作流程加以说明。
步骤一：宽吻海豚、中华白海豚发声信号测量与分析，获取其波形、频谱分布等信号特性，请见图3和4；
步骤二：宽吻海豚、中华白海豚听觉特性测量与分析，获取其听觉曲线，请见图8。海豚的听觉系统对不同频率不同强度的声信号会做出不同程度的反应，通过电生理测试或听觉行为响应方法，可以测试海豚的听觉能力；
步骤三：根据海豚发声信号特性与听觉特性，选定信号频率、波形，设计信号源，请见图5～7；
步骤四：根据设计好的信号源，搭建声信号发射系统，开展海豚的行为响应测试试验，获取海豚的行为响应门限，请见图8。一般利用三个行为参数定量分析海豚的行为响应：海豚相对发射换能器的水面距离、露出水面的次数以及发出定位click声信号的次数；行为响应门限值可以通过测试试验或者收集资料获取。
步骤五：利用获取的行为响应门限值，调节信号源的源级，最终确定适合于海豚的基于中高频信号的声学保护技术。
本发明利用声信号驱赶海豚至安全范围海域，从而达到声学技术保护海豚的目的，适用于施工海域、船舶航运、渔网误捕等，包括信号产生模块、功率放大模块、阻抗匹配模块、发射换能器、电源模块等组成。所述信号产生模块，基于海豚发声特性、听觉特性以及行为响应门限值等进行设计信号源参数，声信号频率应超过15kHz，信号强度应高于海豚的行为响应门限值，但低于180dB。所述功率放大模块，可以是商品化的功率放大器也可以是运算放大芯片组合，用于提升信号源输出信号的能量，保证驱赶设备达到一定的源级，一般有前置放大器、驱动放大器、末级功率放大器等组成。它的工作频率应大于10kHz。所述阻抗匹配模块，是为了保障将功放输出电功率高效率的传到发射换能器。本发明的信号源输出模式均是单频脉冲信号，此模块应采用窄带匹配。所述发射换能器模块，用于完成电压信号向声压信号的转换，并将声压信号发射至水体，按频率高低有低频换能器、中频换能器和高频换能器，本技术应采用中高频换能器，工作频率应大于10kHz范围。
本发明利用声学技术来驱赶海豚至安全距离范围，免受施工、航船、渔网等给其造成的伤害，从而实现海豚保护。本发明信号源设计基于海豚发声特性、听觉特性测量与分析、以及海豚对不同声信号的听觉行为响应测试，具有最佳的保护效果。本发明适用性强，可全天候使用，通过调节信号源，可适用不同物种，并且不受海域限制。本发明的技术转化成熟，转化为设备简易方便，所需成本小，适合不同工程应用，如涉海工程施工、渔网捕捞、网箱养殖等。
Claims (9)
1.一种基于中高频信号的海豚声学保护装置，其特征在于设有信号产生模块、功率放大模块、阻抗匹配模块、发射换能器和电源模块；
所述信号产生模块用于产生中高频信号波形，作为信号源；
所述功率放大模块用于提升信号源输出信号的能量，是功率放大器或运算放大芯片组合，所述功率放大器由前置放大器、驱动放大器、末级功率放大器组成；前置放大器的输出端接驱动放大器输入端，驱动放大器输出端接末级功率放大器输入端；
所述阻抗匹配模块用于将功放输出电功率传到发射换能器上；
所述发射换能器用于在水中发射声波，所述发射换能器设有低频换能器、中频换能器和高频换能器；
所述电源模块为信号产生模块、功率放大模块、阻抗匹配模块和发射换能器供电。
2.如权利要求1所述一种基于中高频信号的海豚声学保护装置，其特征在于所述信号源具有三种模式，分别为15kHz、20kHz、50kHz的脉冲信号，占空比均为8％。
3.如权利要求1所述一种基于中高频信号的海豚声学保护装置，其特征在于所述阻抗匹配分为窄带匹配和宽带匹配。
4.如权利要求1所述一种基于中高频信号的海豚声学保护装置，其特征在于所述中高频换能器的工作频率大于10kHz。
5.如权利要求1所述一种基于中高频信号的海豚声学保护装置，其特征在于所述发射换能器输出的声源级分别不小于163dB re 1μPa、156dB re 1μPa、148dB re 1μPa。
6.如权利要求1所述一种基于中高频信号的海豚声学保护装置，其特征在于所述电源模块为锂电池或干电池。
7.基于中高频信号的海豚声学保护方法，其特征在于包括以下步骤：
1)宽吻海豚、中华白海豚发声信号测量与分析，获取其波形、频谱分布等信号特性；
2)宽吻海豚、中华白海豚听觉特性测量与分析，获取其听觉曲线，海豚的听觉系统对不同频率不同强度的声信号会做出不同程度的反应，通过电生理测试或听觉行为响应方法，可以测试海豚的听觉能力；
3)根据海豚发声信号特性与听觉特性，选定信号频率、波形，设计信号源；
4)根据设计的信号源，搭建声信号发射系统，开展海豚的行为响应测试试验，获取海豚的行为响应门限；
5)利用获取的行为响应门限值，调节信号源的源级，最终确定适合于海豚的基于中高频信号的声学保护方法。
8.如权利要求7所述基于中高频信号的海豚声学保护方法，其特征在于在步骤4)中，所述获取海豚的行为响应门限，利用三个行为参数定量分析海豚的行为响应：海豚相对发射换能器的水面距离、露出水面的次数和发出定位click声信号的次数。
9.如权利要求8所述基于中高频信号的海豚声学保护方法，其特征在于所述行为响应门限的值通过测试试验或者收集资料获取。
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