生物聲學(xué)減少噪聲

賈銘

如今，噪聲污染的影響正在引起人們越來越多的關(guān)注。研究人員為此將一些生物聲學(xué)設(shè)備安置在森林和其他生態(tài)系統(tǒng)中，用來監(jiān)測噪聲對鳥類、昆蟲和其他動物的影響。隨著科技的進步和監(jiān)測成本的降低，生物聲學(xué)設(shè)備有望成為保護聲音環(huán)境的重要工具之一。

波多黎各的熱帶生態(tài)學(xué)家米奇·艾德認(rèn)為，傾聽地球的聲音，我們做得還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。我們要做的不僅僅是傾聽，還要將大自然的聲音記錄并存儲起來。聆聽大自然不只是為了尋求精神上的愉悅，同時也是科學(xué)研究的需要。艾德的研究團隊在自然環(huán)境中部署錄音設(shè)備，開發(fā)人工智能軟件和新的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)等，這些努力增強了科學(xué)家通過聆聽大自然了解生態(tài)系統(tǒng)的能力。

例如，在波多黎各的國家森林里，艾德將一臺廉價的數(shù)字錄音設(shè)備固定在樹上，將錄下的自然之聲傳輸?shù)竭\行軟件的計算機上，實時顯示森林中25種青蛙和鳥類的聲音信息。這一看似簡單的系統(tǒng)功能十分強大，諸如此類的系統(tǒng)將以超乎我們想象的方式來監(jiān)測地球生態(tài)系統(tǒng)。

艾德有個夢想：希望未來有一天，就像收集降雨量和溫度數(shù)據(jù)一樣，科學(xué)家將利用遍布于全球各地的智能感知系統(tǒng)獲得自然環(huán)境中的聲音信息，進行分析并永久存檔。他表示，每段錄音“就像博物館的標(biāo)本一樣，但包含了許多物種的聲音”。通過這些聲音信息，科學(xué)家將有效監(jiān)測物種因全球變暖、棲息地破壞或人類干擾而發(fā)生的遷徙等變化，并據(jù)此繪制大規(guī)模的物種種群數(shù)量變化圖表。

生物聲學(xué)技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用

生物聲學(xué)監(jiān)測的一個重要應(yīng)用是跟蹤和發(fā)現(xiàn)森林動物種群數(shù)量的減少。鳥兒和猴子等動物常因被偷獵者射殺或掉入陷阱等，導(dǎo)致種群數(shù)量減少。而動物種群數(shù)量的逐漸減少通常不易被及時發(fā)現(xiàn)。

艾德預(yù)測，音頻技術(shù)也將可以像衛(wèi)星圖像一樣，用來跟蹤熱帶森林中的生態(tài)變化。“偏遠(yuǎn)地區(qū)的廣袤森林中如有火災(zāi)或非法砍伐事件發(fā)生，衛(wèi)星可以及時發(fā)現(xiàn)。實時衛(wèi)星圖像甚至可以顯示砍伐的地區(qū)又種植了哪些作物。”艾德指出，“當(dāng)然，衛(wèi)星圖像也存在看不到動物種群變化的不足之處。”

為此，生物學(xué)家通常不得不依靠傳統(tǒng)方法，由訓(xùn)練有素的專家通過實地調(diào)查來確認(rèn)一個地區(qū)動物種群的變化情況，這極為費時費力，需要付出極高的成本和代價。生物學(xué)家親臨現(xiàn)場工作，還會讓一些野生動物受到驚嚇。而且，他們并不總能獲得第一手資料。

如今，野生動物調(diào)查中使用的廉價數(shù)字追蹤相機可以彌補這些不足。相機雖然有用，但只能拍攝到正前方的物體，不能檢測到小動物或樹棲動物的情況。因此，在一些生物學(xué)家未曾涉足的棲息地內(nèi)，動物數(shù)量的銳減可能會在很長一段時間內(nèi)被忽略，兩棲動物致命疾病或偷獵會悄然發(fā)生。

生物學(xué)家很早就認(rèn)識到記錄聲音信息對于了解動物行為變化的價值。例如，1949年，加拿大首次獲得了海洋哺乳動物——白鯨的錄音，引發(fā)了研究人員對鯨魚生存狀態(tài)的極度關(guān)注和大量研究。

在過去幾十年里，生物聲學(xué)和生態(tài)聲學(xué)的研究領(lǐng)域有了長足的發(fā)展，從模擬磁帶錄音到數(shù)字錄音的轉(zhuǎn)變，在縮小錄音設(shè)備體積的同時，也提高了錄音質(zhì)量。先進的錄音技術(shù)讓科學(xué)家們能夠更多地了解物種是如何通過聲音相互影響的，以及如何與環(huán)境相互作用的。例如，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，嘈雜城市環(huán)境中的鳥類比農(nóng)村鳥類鳴叫聲更大、音調(diào)更高。

在可能擁有數(shù)百物種的區(qū)域內(nèi)，人工識別鳥類、青蛙或昆蟲物種的聲音是一項極具技術(shù)性且耗時費力的工作，因此傳統(tǒng)聲學(xué)研究在多數(shù)情況下都只限于單一物種或單個區(qū)域。

新技術(shù)的不斷突破正在改變這一狀況。一種專為監(jiān)控動物設(shè)計的名為“AudioMoth”的新型錄音設(shè)備，只有一張信用卡那么大、一包香煙那么厚，且價格不貴，功能先進，可以錄下大自然中從極低頻到極高頻的幾乎所有聲音。它的微型版本μMoth的質(zhì)量僅為5克，可以安裝在活鳥身上。

AudioMoth被用來繪制古巴漏斗耳蝠的覓食棲息地圖，還被放置在英國新森林國家公園中尋找被認(rèn)為已經(jīng)滅絕的一種蟬。自2000年起，在英國新森林國家公園中就再也沒有聽到過這種蟬的鳴叫聲了。同時，AudioMoth還被用來監(jiān)聽叢林中偷獵者的槍聲。AudioMoth 極大地推動了世界各地的聲學(xué)研究，理想情況下，它可以像現(xiàn)代氣象站一樣，近乎實時地傳輸數(shù)據(jù)并進行即時分析。

安置在英國新森林國家公園的新型錄音設(shè)備用來傾聽和發(fā)現(xiàn)消失的蟬鳴聲

AudioMoth 設(shè)備旨在提供低成本、高能效的遠(yuǎn)程景觀監(jiān)控

目前，艾德正與哥斯達(dá)黎加的電子工程師合作，開發(fā)一種可以利用手機數(shù)據(jù)網(wǎng)來傳輸聲音數(shù)據(jù)的廉價發(fā)射裝置。艾德表示，這一技術(shù)將促進大規(guī)模全球聲學(xué)監(jiān)測計劃，該計劃的數(shù)據(jù)分析難題也將得到解決。近年來，艾德和他的同事開發(fā)了兩種用戶友好算法，可以快速分析數(shù)千小時的錄音，識別特定物種的叫聲。此外，艾德的公司與微軟人工智能計劃合作構(gòu)建的一種深度學(xué)習(xí)算法，可以精確地識別分布在波多黎各森林中的25種青蛙和鳥類物種的聲音。

聲音監(jiān)聽網(wǎng)可以跟蹤分析多個物種的活動范圍是擴張還是收縮，幫助科學(xué)家了解環(huán)境變化對物種之間生態(tài)聯(lián)系的影響，以更好地規(guī)劃自然保護區(qū)。例如，通過監(jiān)測發(fā)現(xiàn)蛙聲減少，追蹤導(dǎo)致兩棲動物致命疾病——壺菌病的傳播途徑等。通過監(jiān)聽槍聲、動物警示聲和說話聲，可以追蹤偷獵行為。聲音監(jiān)聽網(wǎng)還可以通過辨別動物繁育期的鳴叫聲，來了解物種的繁殖模式是如何隨天氣和氣候變化而發(fā)生變化的。

此外，科學(xué)家還可以了解人類的聲音和自然聲音是如何相互作用并塑造生態(tài)系統(tǒng)的。比如，隨著人為噪聲的增加，某些鳥類或其他動物會停止鳴叫并遷徙。如果森林中某些聲音頻率消失，那么表明使用這些頻率的動物（如昆蟲或蝙蝠）可能遇到麻煩了。

但目前全自動化的鳥鳴識別技術(shù)仍面臨重大挑戰(zhàn)。這是因為許多鳥類有不止一種曲目，不同區(qū)域的鳥兒會有各自的“方言”，個別鳥類經(jīng)常還會以自己獨創(chuàng)的方式來鳴唱。要從喧鬧的鳥類大合唱中辨別物種，對于專家而言是一項重大挑戰(zhàn)，目前的計算機算法通常也很難實現(xiàn)。

亞馬遜彈性計算云（EC2）副總裁詹姆斯·格林菲爾德雖然并未參與這項生物聲學(xué)研究，但他表示：“人工智能進步神速，令人震驚，正在經(jīng)歷類似于寒武紀(jì)生物大爆炸式的飛躍。大約每個月都會有人利用人工智能做一些被認(rèn)為不可能完成的事情。根據(jù)聲音信息數(shù)據(jù)自動識別物種，遲早會成為現(xiàn)實。”

拯救生物圈

在舊金山一個寧靜小區(qū)內(nèi)，田納西大學(xué)的生態(tài)學(xué)家伊麗莎白·戴瑞巴里在認(rèn)真傾聽雄性白冠麻雀的歌聲，它們優(yōu)美的鳴唱以悠長而清脆的哨聲開始，隨后是一系列快速的音符和顫音。她隨身攜帶的生物聲學(xué)記錄儀是一款智能手機大小的數(shù)字監(jiān)聽設(shè)備，通過收集現(xiàn)場聲音數(shù)據(jù)來了解鳥類行為。

鳥鳴聲對于一些鳥類的生存至關(guān)重要，它們通常以自己獨特的“方言”鳴唱。在交配季節(jié)，雄性鳴禽通過鳴唱求偶，向潛在的繁殖伙伴展示自己，同時向競爭對手宣告主權(quán)。與生活在鄉(xiāng)村的麻雀相比，城市麻雀鳴唱的曲目較少，復(fù)雜性較低，顫音也較少，但受城市噪聲影響，它們的鳴唱音量更高，同時表現(xiàn)出更高的攻擊性和應(yīng)激激素水平。這些鳥產(chǎn)蛋更少，雛鳥個頭也更小。

戴瑞巴里發(fā)現(xiàn)，在新冠疫情期間，當(dāng)周圍世界重新變得寧靜，城市麻雀鳴叫聲中的顫音再次出現(xiàn)，鳴唱聲也變得快速而復(fù)雜。在沒有噪聲干擾的環(huán)境中，鳴唱聲的傳播距離增加了一倍，這顯然有利于它們的擇偶交配活動。

戴瑞巴里使用的生物聲學(xué)記錄儀是一種廉價的便攜式自動化設(shè)備，可以用來聆聽記錄偏遠(yuǎn)地區(qū)的聲音，從次聲波中捕捉人類聽覺范圍之外的聲音。比如，鯨魚低沉而悠遠(yuǎn)的聲音、大象威嚴(yán)的隆隆聲、蝙蝠和海豚發(fā)出的人耳聽不到的超聲波等。設(shè)備與分析聲音模式的人工智能算法結(jié)合在一起，可以像強大的人工假肢一樣，將人類的聽覺感知擴展到有限的感官能力之外。

噪聲對植物也有影響

主要依賴視覺感知世界的人類，很難想象動物世界里聲音的強大和豐富。事實上，在生命世界中，聲音信息遠(yuǎn)比視覺信息更為普遍。例如，在海洋深處，聲音比光傳播得更遠(yuǎn)。水生生物的聽覺往往比視覺更清晰地捕捉到周圍世界的信息。在陸地上，聲音可以在漆黑的夜晚傳播，并且可以從任何角度聽到或感知到地面的震動。聲音生態(tài)學(xué)家伯尼·克勞斯將大自然的聲音描述為地球上蔚為壯觀的管弦樂隊大合唱。遺憾的是，大自然壯觀聲景中的大部分是人耳無法聽到的。

通過傾聽大自然的合唱，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，聲音對生命之樹上的生物物種具有普遍的重要意義。許多動物物種利用聲音進行復(fù)雜的交流活動。例如，蝙蝠生病時，會通過聲音向同伴乞求交換食物，并安靜下來，與同伴保持距離；蜜蜂在預(yù)感到危險時會發(fā)出嘶嘶聲，會用獨特的聲音信號以驚人的準(zhǔn)確性描述遠(yuǎn)處食物源的位置，還會使用特定信號來區(qū)分特定捕食者的威脅級別；母鯨魚會對它們的孩子低聲細(xì)語，以避免被掠食者發(fā)現(xiàn)；在某些海龜物種中，幼龜甚至在破殼之前就會發(fā)出穿透卵殼的聲音與同伴交流，以同步出殼時刻；海豚還會以各自標(biāo)志性的口哨聲來互相稱呼。以上這些發(fā)現(xiàn)，顛覆了復(fù)雜的溝通和語言技巧為人類所獨有這一假設(shè)。

最令人驚訝的是，沒有耳朵或明顯聽覺器官的物種也能感知聲音并作出反應(yīng)。例如，一些幼魚和只有幾毫米大小的珊瑚幼蟲，它們只有最原始的神經(jīng)系統(tǒng)，卻能夠感知珊瑚礁的聲音信息，并根據(jù)這些提示游回出生地。最為神奇的是，隨著蜜蜂嗡嗡聲的響動，花朵們會噴涌出芬芳的花蜜，仿佛在翹首以待傳粉使者的到來。自然之聲生生不息、綿延不絕，但美妙壯觀的自然聲景卻一直被人們所忽視。

如今，隨著人們對生物聲學(xué)的重要性認(rèn)識的不斷深入，催生了新的環(huán)境保護策略。例如，科學(xué)家成功利用生物聲學(xué)來重塑珊瑚礁。通過加大減少噪聲污染的宣傳力度和開發(fā)新的技術(shù)手段，讓自然之聲回歸，讓人們能夠更多地聆聽到自然之聲。

消除人類產(chǎn)生的喧囂是我們這個時代的主要挑戰(zhàn)之一。目前，減少噪聲污染已取得積極而顯著的效果。當(dāng)我們開始重新傾聽自然之聲時，我們將收獲良多，并從大自然中學(xué)到更多。

科學(xué)家利用生物聲學(xué)來重塑珊瑚礁