音响驯化对许氏平鲉有效作用范围的研究

龚德华,宋明元,崔筱杰,殷雷明,徐鹏翔,田 涛,张国胜,邢彬彬

(1 大连海洋大学辽宁省海洋牧场工程技术研究中心,辽宁 大连 116023;2 大连海洋大学水产与生命学院,辽宁 大连 116023)

音响驯化技术是利用鱼类的听觉特性,结合饵料用声音对鱼类进行驯化,将分散的个体鱼诱集成群,从而达到控制鱼类行为的目的[1-2]。1971年,日本首次提出了“海洋牧场”的构想[3],20世纪80年代末音响驯化型海洋牧场在日本很多地区以地域开发形式进行建设,以许氏平鲉(Sebastesschlegelii)、牙鲆(Paralichthysolivaceus)和真鲷(Pagrosomusmajor)作为音响驯化的主要鱼种,研究发现音响驯化后的目标鱼种回捕率显著提高[4-7]。日本的音响驯化型海洋牧场在经济和生态方面也取得了一定效益[7-10]。

国内学者最早是对淡水鱼类进行相对系统的音响驯化研究,使用了不同波形、频率的声音对不同的淡水鱼类进行音响驯化,研究表明音响驯化技术能够有效地提高鱼群的聚集率[11-14]。中国海洋牧场的建设虽然起步较晚,但是近年来发展迅速[15-16],音响驯化技术在海洋牧场的应用也十分广泛[17-19]。毕庶万[20]认为鱼类听觉较为敏感,鱼类的听觉阈值为10 Hz～13 kHz,音响驯化能够提高饵料的利用率和目标鱼种的捕捞率。

2003年,张国胜等[21]提出了海洋牧场在中国海域建设的意义、必要性和可行性。张国胜等[22]首次通过音响驯化技术研究黑鲷(Acanthopagrusschlegelii)的生长与摄量之间的关系,从而提高了饵料利用率及音响驯化对黑鲷产生的正反应,缩短了黑鲷的摄食时间,该研究极大地推动了国内海水鱼类音响驯化的研究热潮,并为中国海洋牧场的建设发展提供了详实的理论依据和实践指导意见。

音响驯化型海洋牧场的建设对于渔业资源的增殖与保护、海洋环境的保护、中国渔业的可持续发展意义重大。音响驯化原理是依据鱼类对声音的正趋向反应,用特定仪器记录鱼类的生物学声音(摄食、求偶、集群等),然后在水中播放,诱集鱼类成群,将鱼群诱惑集到捕捞区域实现高效采捕。研究音响驯化有效作用范围,可为海洋牧场人工鱼礁的投放选址提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验仪器与软件

本试验放声系统由水下扬声器(UWS-015型,灵敏度105 dB、扩音角度180°、频率响应80 Hz～20 kHz)、功率放大器和函数信号发生器组成。水声噪声使用AQH水听器(灵敏度-193 dB re 1V/ μPa,日本)进行采集,水听器带宽为20 Hz～20 kHz,以192 kHz的采样频率存储为WAV格式进行时域频谱分析。

1.2 试验方法

水下噪声测量方法参照GB/T 5265—2009《声学水下噪声测量》[23]。参照T/SCSF 0009—2021《海洋牧场鱼类音响驯化技术规程》[24]使用函数信号发生器和功率放大器,生成155 dB、300 Hz正弦波,连接水下扬声器(UWS-015型)进行放声,水下扬声器固定在水下1 m处。试验时间为2021年11月,试验地点位于辽宁省庄河市王家岛海域,放声点坐标为123°7′44.41″E,39°25′0″N,选择距离放声点0 m、5 m、10 m、25 m、50 m、100 m、250 m、500 m、750 m位置进行测量,测量点坐标如图1。每个测量点测量水下1 m、5 m、10 m的噪声,进行3次间隔2 min重复测量,每次测量录制时间大于2 min。

图1 水下噪声测量点示意图Fig.1 Schematic diagram of underwater noise measurement points

2 结果

2.1 放声点水下噪声频谱分析

声压级以符号SPL表示,其定义为将待测声压有效值p(e)与参考声压p(ref)的比值取常用对数,再乘以20,单位为dB。采集距离声源垂直方向0 m、1 m、5 m和10 m处声音样本进行解析,得到距离声源垂直方向0 m(水下1 m)处SPL为150.36±0.48 dB,距离声源垂直方向1 m(水下2 m)处SPL为137.54±0.15 dB,距离声源垂直方向5 m(水下6 m)处SPL为128.86±1.68 dB,距离声源垂直方向10 m(水下11 m)处SPL为134.66±1.21 dB。水下1 m处300 Hz频率的SPL为149.96±0.06 dB,水下2 m处300 Hz频率的SPL为137.36±0.11 dB,SPL衰减约12.60 dB;水下6 m处300 Hz频率的SPL为123.47±0.47 dB,SPL衰减约26.29 dB;水下11 m处300 Hz频率的SPL为116.83±0.23 dB,SPL衰减约33.13 dB。在垂直方向上,距离声源越远,SPL衰减越明显,如图2、图3所示。

图2 放声点水下1 m、2 m、6 m、11 m处噪声频谱特性分析Fig.2 Analysis of noise spectrum characteristic at 1 m,2 m,6 m and 11 m underwater at the sound point

图3 放声点水下1 m、2 m、6 m、11 m处噪声1/3倍频程分析Fig.3 1/3 octave band analysis of noise at 1 m,2 m,6 m and 11 m underwater at the sound point

2.2 海洋牧场示范区水下噪声衰减

对距离放声点0 m、5 m、10 m、25 m、50 m、100 m、250 m、500 m、750 m位置采集的声音样本进行解析,得到水下1 m处300 Hz频率的噪声衰减为:距声源点5 m处,噪声衰减7.71 dB;距声源点10 m处,噪声衰减26.30 dB;距声源点25 m处,噪声衰减29.60 dB;距声源点50 m处,噪声衰减25.31 dB;距声源点100 m处,噪声衰减32.25 dB;距声源点250 m处,噪声衰减37.78 dB;距声源点500 m处,噪声衰减47.00 dB;距声源点750 m处,噪声衰减49.81 dB,如图4所示。

图4 水下1 m处噪声衰减示意图Fig.4 Diagram of noise attenuation at 1 m underwater

水下5 m处300 Hz频率的噪声衰减为:距声源点5 m处,噪声衰减-5.17 dB;距声源点10 m处,噪声衰减-0.26 dB;距声源点25 m处,噪声衰减12.17 dB;距声源点50 m处,噪声衰减9.91 dB;距声源点100 m处,噪声衰减21.65 dB;距声源点250 m处,噪声衰减23.08 dB;距声源点500 m处,噪声衰减38.47 dB;距声源点750 m处,噪声衰减45.32 dB,如图5所示。

图5 水下5 m处噪声衰减示意图Fig.5 Diagram of noise attenuation at 5 m underwater

水下10 m处300 Hz频率的噪声衰减为:距声源点5 m处,噪声衰减-9.98 dB;距声源点10 m处,噪声衰减-7.38 dB;距声源点25 m处,噪声衰减3.88 dB;距声源点50 m处,噪声衰减9.52 dB;距声源点100 m处,噪声衰减11.39 dB;距声源点250 m处,噪声衰减20.88 dB;距声源点500 m处,噪声衰减18.43 dB;距声源点750 m处,噪声衰减48.90 dB,如图6。

图6 水下10 m处噪声衰减示意图Fig.6 Diagram of noise attenuation at 10 m underwater

本试验以距离放声点0 ～750 m处的SPL结果进行衰减计算。将距离放声点0～750 m的水下噪声进行频谱统计分析,得到在155 dB、 300 Hz噪声下的衰减情况。距离放声点0 ～750 m,水下1 m处SPL衰减49.81 dB,水下5 m处SPL衰减45.32 dB,水下10 m处SPL衰减48.90 dB,如图7。

根据衰减理论[25]公式:

TTL=N×10 log(r)

(1)

式中:TTL为衰减声压级, dB;N为衰减系数;r为测量点到声源的距离, m。

由此,可确定水平方向上的衰减系数,将距放声点750 m处水下1 m、5 m、10 m处噪声衰减数值49.81 dB、45.32 dB、48.90 dB分别代入式(1)中,得到:N1≈1.73,N2≈1.58,N3≈1.70。

将N代入式(1)中,得到水下噪声的水平衰减公式:

水下1 m:TTL= 1.73×10 log(r)

(2)

水下5 m:TTL= 1.58×10 log(r)

(3)

水下10 m:TTL=1.70×10 log(r)

(4)

因此,水下噪声水平方向上的衰减模型基本符合球面衰减规律(衰减系数N=2)。

3 讨论

3.1 海洋牧场示范区水下噪声衰减

水下噪声的衰减主要原因有3个:(1)扩展损失。声音在不断传播过程中波阵面会一直扩展,从而造成声强的衰减。这类衰减也称作几何衰减。(2)吸收损失。在不均匀的介质中,介质的热传导、黏滞和相关盐类的弛豫过程引起的声强衰减,这类衰减也称作物理衰减。(3)散射。海洋环境中存在大量的浮游动植物、泥沙、气泡等物质,引起声波散射而导致声强衰减[25]。章蔚等[26]使用Bellhop射线模型和 Kraken简正波模型模拟海域水下噪声衰减模型,从 0～300 m 范围 Kraken 简正波模型在频率100～1 000 Hz 下衰减范围为 20～45 dB,Bellhop 射线模型衰减范围为 23～53 dB。本试验测量距离为0～1 000 m,距离放声点250 m处,频率为300 Hz的噪声水下1 m位置衰减了37.78 dB;水下5 m位置衰减了23.08 dB,水下10 m位置衰减了28.88 dB,与章蔚等[26]模拟的衰减范围一致。本次放声点的水下扬声器为垂直放置于水下1 m处,因此噪声衰减为球面衰减。本试验测量点设置至距离放声点750 m处,选用750 m处计算衰减模型,300 Hz频率段SPL水下1 m处为81.08 dB;水下5 m处为77.74 dB;水下10 m处为80.09 dB,与背景噪声SPL基本相同。因此选用750 m处计算噪声衰减模型。本试验得到的水下噪声水平衰减的模型,水下1 m,TTL=1.73×10 log(r);水下5 m,TTL=1.58×10 log(r);水下10 m,TTL=1.70×10 log(r),符合球面衰减,球面衰减公式为TTL= 20×10 log(r)。

矢量水听器是由振速和声压传感器构成,通过这2个传感器可以获取声场环境中的振速信息和声压信息。声压传感器又是由多个传感器和加速度计组成,在声场环境中,将获取的数据进行相应处理后,最终得到声场环境中几何中心点上的声压信息[25]。因此不同的水听器在同一个测量点测量解析的数据会存在一定差异。本次测量使用日本AQH水听器(灵敏度:-193 dB re 1 V/ μPa),牛富强等[27]使用的为自容式水下声音记录仪(灵敏度:-180 dB re 1 V/μPa),水听器(Reson TC4032,灵敏度:-170 dB re 1 V/μPa;频率响应:5～120 kHz),水听器内部敏感单元和材质不同导致其灵敏度不同,实际测量的结果存在一定差异。

3.2 音响驯化有效作用范围

音响驯化技术是一种重要的鱼群控制技术,音响驯化的有效作用范围与目标鱼种的听觉特性、海洋环境的水下背景噪声、水下扬声器的声压级有关。陈帅等[28]研究音响驯化的有效作用范围,认为确定音响驯化有效作用范围需要满足两个条件:一是需要知道目标鱼种的听觉特性;二是需要对音响驯化放声点所在海域进行水下噪声测量与解析,同时掌握水下声音传播的衰减情况。海洋环境监测到的300 Hz以下低频噪声数量逐年增多,而频率越低传播距离越远,衰减越小,300 Hz是受到背景噪声干扰的最低频率段,在海上300 Hz以上噪声频率叠加干扰多,而在接近300 Hz时,海上环境噪声叠加干扰趋近于0,300 Hz是背景噪声贴近环境噪声相对稳定的频率[29]。本试验音响驯化的目标鱼种是许氏平鲉,许氏平鲉的听觉敏感频率在80 Hz～320 Hz[30]。因此,本试验选择的放声参数为300 Hz。一般临界比是随声音频率的增加而增加,在听觉敏感的频率范围内约为15～30 dB,即在敏感频率范围内信号声声压比相应的环境噪声声压大15～30 dB以上,鱼就能分辨出信号音。海洋牧场示范区水下背景噪声300 Hz处SPL约为75 dB,距离放声点250 m处监测到的300 Hz处SPL约为99 dB,高出背景噪声约25 dB,而距离放声点500 m处监测到的300 Hz处SPL约为90 dB,高出背景噪声约15 dB。Lee等[30]对许氏平鲉听觉阈值进行了研究,得到许氏平鲉在300 Hz频率下的听觉阈值约为99 dB。综上所述,在海洋牧场示范区内对许氏平鲉选用参数为300 Hz、155 dB的正弦波进行音响驯化的有效半径为500 m,考虑到许氏平鲉300 Hz频率的听觉阈值,得到音响驯化的最佳半径为250 m。

4 结论

音响驯化技术是一种重要的鱼群控制技术,音响驯化的有效作用范围与目标鱼种的听觉特性、海洋环境的水下背景噪声、水下扬声器的声压级有关。水下噪声在海洋环境中传播其声压级会不断衰减,选择驯化参数为300 Hz、155 dB正弦波进行放声,其水下噪声衰减模型符合球面衰减;在海洋牧场中对许氏平鲉进行音响驯化的有效作用半径为500 m,最佳半径为250 m。音响驯化技术应用于不同目标鱼种时,选择的参数还需要根据目标鱼种的听觉特性及驯化海域的实际情况进行调整,以达到最佳的驯化效果。