2016年5月31日

在海底深處竊聽海洋生態的多樣性

作者/林子皓(國立臺灣大學生態演化所博士後研究員、臺灣聲景協會秘書長。)

聽海洋中的聲音能做甚麼?是研究如何偵測潛水艇嗎?這是我在研究過程中最常被問的問題。其實,會想到要透過聽聲音來研究海洋動物的生態習性,都要從一次出海調查中華白海豚的經驗談起。

與中華白海豚水下聲音的初次接觸
2007 年夏天我們在大肚溪口調查中華白海豚在臺中、彰化沿海的族群現況,由於中華白海豚的數量稀少、目擊的機率很低,大部分的調查時間都只是不斷地在搜尋海面,一整天的調查可能只看到兩、三頭中華白海豚。有次我們帶了一組水下麥克風,在搜尋的過程中把麥克風放入水中聽海裡的聲音,想要藉此提高遇見中華白海豚的機會。但除了海浪聲、漁船和貨輪的噪音,沒有什麼太多的驚喜。就在想要放棄的那一瞬間,我從耳機裡聽到一聲清脆且細微的口哨聲,和背景噪音相比之下更為高頻,像極了陸地上的鳥叫聲。正當我懷疑是不是聽錯的同時,耳機又傳來第二、第三聲口哨聲。這時,船上的調查同仁們也在離船一兩公里遠的河口側發現小小的背鰭接連地浮出水面,從照片上斑駁的體色來看,的確就是中華白海豚!

這次的經驗讓我驚訝地發現,原來聲音在海水中可以傳得這麼遠。雖然臺灣西部各個河口附近的海水混濁度相當高,能見度經常不到20公分,要在水中透過視覺來觀察環境與尋找獵物幾乎是不可能的事情。然而,中華白海豚能夠發出一種窄頻且音頻可能會隨時間而有所變化的哨叫聲,哨叫聲主要的音頻範圍約介於3000~6000赫茲之間。中華白海豚群體在移動旅行時主要發出固定頻率的哨聲類型,但在社交玩耍時發出的哨聲則相當多樣化,除了固定頻率類型,還有許多抑揚頓挫、音頻高低起伏的複雜哨聲。因此,哨叫聲被認為具有傳遞訊息、維持群體結群模式等社交溝通的功能。除此之外,中華白海豚也會發出一種寬頻、且主要音頻位於超音波範圍的答聲,並利用一連串的答聲進行回聲定位,以發聲和聽到回聲的時間差來
偵測障礙物的距離、鎖定獵物的位置。雖然在海上與中華白海豚相遇的時間不長,在水面上也只看到幾次牠們的身影,但我卻在水下錄音中聽到各種不同的哨叫聲和寬頻答聲。於是我想如果能夠在臺灣西岸的各個河口收集水下錄音,那麼不就能夠透過中華白海豚聲音出現的時間來了解牠們在河口的生態習性嗎?於是,我決定透過「被動式聲學」來研究鯨豚在海洋中的活動。

竊聽海洋的生態
所謂的「被動式聲學」,就是被動收集現場的錄音,並分析錄音資料中各種來自於環境、動物以及人為活動的資訊。說起來好像很困難,但其實就和我們拿著錄音筆在錄音一樣,只要有一台錄音機和一個專門用來感應水下聲波壓力變化的水下麥克風,就可以聽到海洋中的各種聲音。近年來隨著水下技術的發展,小型且較為省電的錄音機可以被放在耐水深100公尺、甚至更深的防水盒中,透過大容量的硬碟或記憶卡,能收錄長時間的海洋聲音。海洋錄音機可以被錨定在海床上,透過電腦的自主排程定時收錄一段聲音,或是連續不斷地收錄聲音,直到耗盡電池或儲存空間不足為止。目前普遍應用的水下麥克風也都具有非常好的性能,除了人耳可聽見的音頻範圍之外(20~20000赫茲),許多的水下麥克風甚至可以靈敏地收集到超音波範圍的聲音(> 20千赫茲)。因此,透過這種海洋錄音機,海洋動物聲學研究人員便可以在世界各地的海洋中,利用水下聲音來竊聽海洋中的各種聲音,了解海洋生態系的變化。


應用尖端科技尋找鯨豚聲音
長時間的水下錄音雖然可以蒐集到寶貴的監測資料,但也需要耗費大量的人力與時間來分析資料。因此,海洋動物聲學的研究人員嘗試著開發自動化的偵測演算法來尋找鯨豚的水下聲音,以提高研究分析的效率。最初,研究人員利用計算聲音的音量大小(聲壓值),當音量超過一定偵測閾值後,就記錄下這段聲音的時間。這種「能量偵測器」雖然能夠有效地偵測出具有高訊雜比的鯨豚聲音,但是卻也容易偵測到許多的噪音,包含船隻的聲納、魚類的叫聲、槍蝦的聲音等等⋯⋯。於是,研究人員開始利用已知的聲音模板,以聲音的波形或是利用快速傅立葉轉換的頻譜圖,偵測水下錄音資料中和聲音模板相似度高的區段。......【更詳細的內容請見科學月刊第558期】

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