音響馴化對許氏平鲉有效作用范圍的研究

龔德華,宋明元,崔筱杰,殷雷明,徐鵬翔,田 濤,張國勝,邢彬彬

(1 大連海洋大學遼寧省海洋牧場工程技術研究中心,遼寧 大連 116023;2 大連海洋大學水產與生命學院,遼寧 大連 116023)

音響馴化技術是利用魚類的聽覺特性,結合餌料用聲音對魚類進行馴化,將分散的個體魚誘集成群,從而達到控制魚類行為的目的[1-2]。1971年,日本首次提出了“海洋牧場”的構想[3],20世紀80年代末音響馴化型海洋牧場在日本很多地區以地域開發形式進行建設,以許氏平鲉(Sebastesschlegelii)、牙鲆(Paralichthysolivaceus)和真鯛(Pagrosomusmajor)作為音響馴化的主要魚種,研究發現音響馴化后的目標魚種回捕率顯著提高[4-7]。日本的音響馴化型海洋牧場在經濟和生態方面也取得了一定效益[7-10]。

國內學者最早是對淡水魚類進行相對系統的音響馴化研究,使用了不同波形、頻率的聲音對不同的淡水魚類進行音響馴化,研究表明音響馴化技術能夠有效地提高魚群的聚集率[11-14]。中國海洋牧場的建設雖然起步較晚,但是近年來發展迅速[15-16],音響馴化技術在海洋牧場的應用也十分廣泛[17-19]。畢庶萬[20]認為魚類聽覺較為敏感,魚類的聽覺閾值為10 Hz～13 kHz,音響馴化能夠提高餌料的利用率和目標魚種的捕撈率。

2003年,張國勝等[21]提出了海洋牧場在中國海域建設的意義、必要性和可行性。張國勝等[22]首次通過音響馴化技術研究黑鯛(Acanthopagrusschlegelii)的生長與攝量之間的關系,從而提高了餌料利用率及音響馴化對黑鯛產生的正反應,縮短了黑鯛的攝食時間,該研究極大地推動了國內海水魚類音響馴化的研究熱潮,并為中國海洋牧場的建設發展提供了詳實的理論依據和實踐指導意見。

音響馴化型海洋牧場的建設對于漁業資源的增殖與保護、海洋環境的保護、中國漁業的可持續發展意義重大。音響馴化原理是依據魚類對聲音的正趨向反應,用特定儀器記錄魚類的生物學聲音(攝食、求偶、集群等),然后在水中播放,誘集魚類成群,將魚群誘惑集到捕撈區域實現高效采捕。研究音響馴化有效作用范圍,可為海洋牧場人工魚礁的投放選址提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗儀器與軟件

本試驗放聲系統由水下揚聲器(UWS-015型,靈敏度105 dB、擴音角度180°、頻率響應80 Hz～20 kHz)、功率放大器和函數信號發生器組成。水聲噪聲使用AQH水聽器(靈敏度-193 dB re 1V/ μPa,日本)進行采集,水聽器帶寬為20 Hz～20 kHz,以192 kHz的采樣頻率存儲為WAV格式進行時域頻譜分析。

1.2 試驗方法

水下噪聲測量方法參照GB/T 5265—2009《聲學水下噪聲測量》[23]。參照T/SCSF 0009—2021《海洋牧場魚類音響馴化技術規程》[24]使用函數信號發生器和功率放大器,生成155 dB、300 Hz正弦波,連接水下揚聲器(UWS-015型)進行放聲,水下揚聲器固定在水下1 m處。試驗時間為2021年11月,試驗地點位于遼寧省莊河市王家島海域,放聲點坐標為123°7′44.41″E,39°25′0″N,選擇距離放聲點0 m、5 m、10 m、25 m、50 m、100 m、250 m、500 m、750 m位置進行測量,測量點坐標如圖1。每個測量點測量水下1 m、5 m、10 m的噪聲,進行3次間隔2 min重復測量,每次測量錄制時間大于2 min。

圖1 水下噪聲測量點示意圖Fig.1 Schematic diagram of underwater noise measurement points

2 結果

2.1 放聲點水下噪聲頻譜分析

聲壓級以符號SPL表示,其定義為將待測聲壓有效值p(e)與參考聲壓p(ref)的比值取常用對數,再乘以20,單位為dB。采集距離聲源垂直方向0 m、1 m、5 m和10 m處聲音樣本進行解析,得到距離聲源垂直方向0 m(水下1 m)處SPL為150.36±0.48 dB,距離聲源垂直方向1 m(水下2 m)處SPL為137.54±0.15 dB,距離聲源垂直方向5 m(水下6 m)處SPL為128.86±1.68 dB,距離聲源垂直方向10 m(水下11 m)處SPL為134.66±1.21 dB。水下1 m處300 Hz頻率的SPL為149.96±0.06 dB,水下2 m處300 Hz頻率的SPL為137.36±0.11 dB,SPL衰減約12.60 dB;水下6 m處300 Hz頻率的SPL為123.47±0.47 dB,SPL衰減約26.29 dB;水下11 m處300 Hz頻率的SPL為116.83±0.23 dB,SPL衰減約33.13 dB。在垂直方向上,距離聲源越遠,SPL衰減越明顯,如圖2、圖3所示。

圖2 放聲點水下1 m、2 m、6 m、11 m處噪聲頻譜特性分析Fig.2 Analysis of noise spectrum characteristic at 1 m,2 m,6 m and 11 m underwater at the sound point

圖3 放聲點水下1 m、2 m、6 m、11 m處噪聲1/3倍頻程分析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 海洋牧場示范區水下噪聲衰減

對距離放聲點0 m、5 m、10 m、25 m、50 m、100 m、250 m、500 m、750 m位置采集的聲音樣本進行解析,得到水下1 m處300 Hz頻率的噪聲衰減為:距聲源點5 m處,噪聲衰減7.71 dB;距聲源點10 m處,噪聲衰減26.30 dB;距聲源點25 m處,噪聲衰減29.60 dB;距聲源點50 m處,噪聲衰減25.31 dB;距聲源點100 m處,噪聲衰減32.25 dB;距聲源點250 m處,噪聲衰減37.78 dB;距聲源點500 m處,噪聲衰減47.00 dB;距聲源點750 m處,噪聲衰減49.81 dB,如圖4所示。

圖4 水下1 m處噪聲衰減示意圖Fig.4 Diagram of noise attenuation at 1 m underwater

水下5 m處300 Hz頻率的噪聲衰減為:距聲源點5 m處,噪聲衰減-5.17 dB;距聲源點10 m處,噪聲衰減-0.26 dB;距聲源點25 m處,噪聲衰減12.17 dB;距聲源點50 m處,噪聲衰減9.91 dB;距聲源點100 m處,噪聲衰減21.65 dB;距聲源點250 m處,噪聲衰減23.08 dB;距聲源點500 m處,噪聲衰減38.47 dB;距聲源點750 m處,噪聲衰減45.32 dB,如圖5所示。

圖5 水下5 m處噪聲衰減示意圖Fig.5 Diagram of noise attenuation at 5 m underwater

水下10 m處300 Hz頻率的噪聲衰減為:距聲源點5 m處,噪聲衰減-9.98 dB;距聲源點10 m處,噪聲衰減-7.38 dB;距聲源點25 m處,噪聲衰減3.88 dB;距聲源點50 m處,噪聲衰減9.52 dB;距聲源點100 m處,噪聲衰減11.39 dB;距聲源點250 m處,噪聲衰減20.88 dB;距聲源點500 m處,噪聲衰減18.43 dB;距聲源點750 m處,噪聲衰減48.90 dB,如圖6。

圖6 水下10 m處噪聲衰減示意圖Fig.6 Diagram of noise attenuation at 10 m underwater

本試驗以距離放聲點0 ～750 m處的SPL結果進行衰減計算。將距離放聲點0～750 m的水下噪聲進行頻譜統計分析,得到在155 dB、 300 Hz噪聲下的衰減情況。距離放聲點0 ～750 m,水下1 m處SPL衰減49.81 dB,水下5 m處SPL衰減45.32 dB,水下10 m處SPL衰減48.90 dB,如圖7。

根據衰減理論[25]公式:

TTL=N×10 log(r)

(1)

式中:TTL為衰減聲壓級, dB;N為衰減系數;r為測量點到聲源的距離, m。

由此,可確定水平方向上的衰減系數,將距放聲點750 m處水下1 m、5 m、10 m處噪聲衰減數值49.81 dB、45.32 dB、48.90 dB分別代入式(1)中,得到:N1≈1.73,N2≈1.58,N3≈1.70。

將N代入式(1)中,得到水下噪聲的水平衰減公式:

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,水下噪聲水平方向上的衰減模型基本符合球面衰減規律(衰減系數N=2)。

3 討論

3.1 海洋牧場示范區水下噪聲衰減

水下噪聲的衰減主要原因有3個:(1)擴展損失。聲音在不斷傳播過程中波陣面會一直擴展,從而造成聲強的衰減。這類衰減也稱作幾何衰減。(2)吸收損失。在不均勻的介質中,介質的熱傳導、黏滯和相關鹽類的弛豫過程引起的聲強衰減,這類衰減也稱作物理衰減。(3)散射。海洋環境中存在大量的浮游動植物、泥沙、氣泡等物質,引起聲波散射而導致聲強衰減[25]。章蔚等[26]使用Bellhop射線模型和 Kraken簡正波模型模擬海域水下噪聲衰減模型,從 0～300 m 范圍 Kraken 簡正波模型在頻率100～1 000 Hz 下衰減范圍為 20～45 dB,Bellhop 射線模型衰減范圍為 23～53 dB。本試驗測量距離為0～1 000 m,距離放聲點250 m處,頻率為300 Hz的噪聲水下1 m位置衰減了37.78 dB;水下5 m位置衰減了23.08 dB,水下10 m位置衰減了28.88 dB,與章蔚等[26]模擬的衰減范圍一致。本次放聲點的水下揚聲器為垂直放置于水下1 m處,因此噪聲衰減為球面衰減。本試驗測量點設置至距離放聲點750 m處,選用750 m處計算衰減模型,300 Hz頻率段SPL水下1 m處為81.08 dB;水下5 m處為77.74 dB;水下10 m處為80.09 dB,與背景噪聲SPL基本相同。因此選用750 m處計算噪聲衰減模型。本試驗得到的水下噪聲水平衰減的模型,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),符合球面衰減,球面衰減公式為TTL= 20×10 log(r)。

矢量水聽器是由振速和聲壓傳感器構成,通過這2個傳感器可以獲取聲場環境中的振速信息和聲壓信息。聲壓傳感器又是由多個傳感器和加速度計組成,在聲場環境中,將獲取的數據進行相應處理后,最終得到聲場環境中幾何中心點上的聲壓信息[25]。因此不同的水聽器在同一個測量點測量解析的數據會存在一定差異。本次測量使用日本AQH水聽器(靈敏度:-193 dB re 1 V/ μPa),牛富強等[27]使用的為自容式水下聲音記錄儀(靈敏度:-180 dB re 1 V/μPa),水聽器(Reson TC4032,靈敏度:-170 dB re 1 V/μPa;頻率響應:5～120 kHz),水聽器內部敏感單元和材質不同導致其靈敏度不同,實際測量的結果存在一定差異。

3.2 音響馴化有效作用范圍

音響馴化技術是一種重要的魚群控制技術,音響馴化的有效作用范圍與目標魚種的聽覺特性、海洋環境的水下背景噪聲、水下揚聲器的聲壓級有關。陳帥等[28]研究音響馴化的有效作用范圍,認為確定音響馴化有效作用范圍需要滿足兩個條件:一是需要知道目標魚種的聽覺特性;二是需要對音響馴化放聲點所在海域進行水下噪聲測量與解析,同時掌握水下聲音傳播的衰減情況。海洋環境監測到的300 Hz以下低頻噪聲數量逐年增多,而頻率越低傳播距離越遠,衰減越小,300 Hz是受到背景噪聲干擾的最低頻率段,在海上300 Hz以上噪聲頻率疊加干擾多,而在接近300 Hz時,海上環境噪聲疊加干擾趨近于0,300 Hz是背景噪聲貼近環境噪聲相對穩定的頻率[29]。本試驗音響馴化的目標魚種是許氏平鲉,許氏平鲉的聽覺敏感頻率在80 Hz～320 Hz[30]。因此,本試驗選擇的放聲參數為300 Hz。一般臨界比是隨聲音頻率的增加而增加,在聽覺敏感的頻率范圍內約為15～30 dB,即在敏感頻率范圍內信號聲聲壓比相應的環境噪聲聲壓大15～30 dB以上,魚就能分辨出信號音。海洋牧場示范區水下背景噪聲300 Hz處SPL約為75 dB,距離放聲點250 m處監測到的300 Hz處SPL約為99 dB,高出背景噪聲約25 dB,而距離放聲點500 m處監測到的300 Hz處SPL約為90 dB,高出背景噪聲約15 dB。Lee等[30]對許氏平鲉聽覺閾值進行了研究,得到許氏平鲉在300 Hz頻率下的聽覺閾值約為99 dB。綜上所述,在海洋牧場示范區內對許氏平鲉選用參數為300 Hz、155 dB的正弦波進行音響馴化的有效半徑為500 m,考慮到許氏平鲉300 Hz頻率的聽覺閾值,得到音響馴化的最佳半徑為250 m。

4 結論

音響馴化技術是一種重要的魚群控制技術,音響馴化的有效作用范圍與目標魚種的聽覺特性、海洋環境的水下背景噪聲、水下揚聲器的聲壓級有關。水下噪聲在海洋環境中傳播其聲壓級會不斷衰減,選擇馴化參數為300 Hz、155 dB正弦波進行放聲,其水下噪聲衰減模型符合球面衰減;在海洋牧場中對許氏平鲉進行音響馴化的有效作用半徑為500 m,最佳半徑為250 m。音響馴化技術應用于不同目標魚種時,選擇的參數還需要根據目標魚種的聽覺特性及馴化海域的實際情況進行調整,以達到最佳的馴化效果。