新浪博客

90、中国声学泰斗对“淇淇”最早的声纳实验

2017-04-25 09:52阅读：

http://blog.sina.cn/dpool/blog/u/1491304320

悲情国宝:“长江女神”白鱀豚生死全纪录（电子版）90
中 篇
“淇 淇”传 奇
三、神奇的白鱀豚声纳系统

中国声学泰斗对“淇淇”最早的声纳实验

“淇淇”的横空出世对研究白鱀豚声纳系统真是千载难得的机会！因此，还在“淇淇”尚未完全脱离生命危险的时候，科研人员便迫不及待地开始了对它的声纳系统的研究项目。
《北京晚报》1980年2月17日在“珍豚捕获记”的报道中透露：“为了防备‘淇淇’夭折，科学院声学所白鱀豚组的同志，在水池边用现代化设备整整记录了两昼夜，收听了它发出的各种信号，并将信号分析整理，获得了极为珍贵的科学资料。”
其实，早在1月
17日，“淇淇”刚进水生所还不到一星期，我国著名物理学家、中国水声事业奠基人、为我国国防水声学事业的开拓和建设做出突出贡献的中国科学院资深院士、中科院声学所首任所长汪德昭教授，就迫不及待地带领声学所专家从北京赶赴武汉看望“淇淇”，并与水生所的领导、专家商议对“淇淇”的声学研究课题。这一年，汪德昭教授已是75岁高龄。世界第一头人工饲养的白鱀豚，显然让这位中国水声事业奠基人兴奋不已！这位声学泰斗认为，白鱀豚不但对科学工作者重要，对我们中华民族提高国际地位也很重要。他在研究会上兴奋地提出：我们要建立一个白鱀豚国际研究中心。

90、中国声学泰斗对“淇淇”最早的声纳实验
中国科学院资深院士、中科院声学所首任所长汪德昭教授
(1905-1998)
资料选自：刘振坤 柳天明《二十世纪中国著名科学家书系?汪德昭》 封面
金城出版社2008年

陈佩薰教授在自传《风雨长江五十载——陈佩薰与白鱀豚研究》中还透露了一个轶闻：汪德昭教授当年曾想把“淇淇”从武汉接到北京！该书的原文是：“声学所也曾提出能否把淇淇运到北京去养，就近做实验方便些。我们从淇淇的安全考虑，没有同意，除非我们养有数头豚方可考虑。”
多年后，由汪德昭院士提议，用永乐大钟和白鱀豚为主要形象，精心设计出中国科学院声学研究所的标志。

90、中国声学泰斗对“淇淇”最早的声纳实验
中国科学院声学研究所的标志
资料来源：中国科学院声学研究所官网

1989年，中国科学界的两位泰斗钱三强、马大猷院士在为中国科学院物理学和核科学四十周年发表的纪念文章中指出：声学研究所的水声研究是在汪德昭领导下开展的。该所首次测量分析了我国珍稀动物白鱀豚的声纳信号。钱祖文研究员1995年撰文“祝贺汪德昭院士90华诞”特别提到：“他是我国第一位倡导研究白鱀豚的科学家。众所周知，白鱀豚的视力退化，是靠它发射和接收高频声波（声纳）来代替听觉的，故与声学研究关系密切，倡导这项研究意义深远。”
而在当时，为了抓住这个从天而降的科研机遇，汪德昭教授马上调集精兵强将组成研究组，并一边调度所内现有仪器设备，一边积极申请外汇购置先进仪器，甚至停止了两个研究组的研究工作，专门转向研制白鱀豚声学研究所买不到的仪器。在1980年第7期《人民画报》刊登的“白鱀豚”专题报道中，便有一幅汪德昭教授头戴耳机站在先进仪器前，聚精会神收听“淇淇”发出的各种信号的大幅照片，这是中国声学泰斗与“淇淇”及白鱀豚特殊情缘的珍贵记录！

90、中国声学泰斗对“淇淇”最早的声纳实验
1980年，汪德昭教授聚精会神收听“淇淇”发出的各种信号
资料引自：《人民画报》1980年第7期

1981年6月，汪德昭教授率团首次参加在法国尼斯召开的第八届“信号处理及应用”国际会议，在向会议提交的三篇论文中，就包括一篇“白鱀豚声信号的分析”。汪德昭教授对白鱀豚研究的重视由此可见一斑。会议主席对中国代表的论文非常重视，特地安排了报告日程。“白鱀豚声信号的分析”等论文受到近二百名会议代表的热烈欢迎。

90、中国声学泰斗对“淇淇”最早的声纳实验
1980年4月，汪德昭教授（左2）在北京中科院声学所研究白鱀豚发声器官
摄影：高峰
资料引自：新浪科技http://www.sina.com.cn

1980年9月21日，新华社对这项在中国声学科学史上具有特殊意义的研究进行了详细报道：
最近，中国科学院声学研究所的科研人员，在所长汪德昭教授领导下，和水生生物研究所的科研人员一起，对这条白鱀豚进行了发声机理、水下声信号以及声接受处理研究。他们用信号分析仪分析了这条白鱀豚水下声信号的频谱，发现它发出的信号有两大类，一类近似人的口哨声，叫做啸叫，人耳能够直接听到；另一类象钟表的滴答声，主要为超声频率范围。
这两类信号各起什么作用呢？科研人员作了两项实验。一是用模拟白鱀豚的啸叫声，通过换能器在饲养池里回放。换能器呼叫一声，白鱀豚就连续啸叫一至四声作为回答。所发呼叫声频率在四千到七千赫的范围内时，白鱀豚的应答率达百分之一百，当呼叫声高于或低于以上频率时，白鱀豚的应答率就相应地降低。另一个实验是用换能器回放录下的白鱀豚发出的滴答声。白鱀豚闻声立即从远处游向换能器；如换能器不断地发声，它就围绕换能器不停地作圆周游动；换能器停止发声，它即离去。如果换能器同时发出啸叫声和滴答声两种信号，白鱀豚则一边啸叫，一边游向换能器，并在它的周围作圆周游动。
通过实验分析，科研人员认为，白鱀豚的信号具有多变性。此外，白鱀豚对于声信号有很高的接收和检验能力，能灵敏地感知极低的回放信号，并且迅速作出反应。白鱀豚的声学机理，如果能通过仿生学的研究为人们所利用，将大大推进现有的声纳技术。

美国青年霍伊当年在他的书信和文章中曾几次提到他听到长江中白鱀豚发出的叫声，这在中国声学专家们科学实验中得到了证明。但非常有趣的是，同样是白鱀豚发出的啸叫声，在霍伊的耳朵里，声音“像水牛牛犊”，或者“很象小公牛的叫声”。而在中国声学专家们听起来，则近似“人的口哨声”。这是为什么呢？莫非白鱀豚在野外环境下的叫声象牛犊，在人工饲养池里的叫声像人的口哨？亦或成年豚的叫声像小牛犊，而幼豚“淇淇”发出声音像人的口哨声？据《大自然探索》杂志的报道，生活在南美洲亚马孙河中的亚河豚（也叫粉红河海豚）发出的悦耳叫声“咔、哈哈”，就像一只大鸟在歌唱。
中科院声学研究所荆显英、肖友芙、景荣才三位专家对第一次记录的“淇淇”的声信号进行了初步分析，于1981年首次发表了题为“白鱀豚（Lipotes Vexillifer）的声信号及声行为”的研究报告，声学专家们在其中提出的专业分析显然包含着对白鱀豚神奇的声纳系统的赞叹：
由信号分析可知，白鱀豚水下声信号的突出特点是其多变性。不论是脉冲序列，还是单脉冲都具有多种多样的时间波形，所含频谱亦有很大变化。这似乎由其所处状态和需要而决定。而啸叫声保持较为稳定的波形和频率，看来是白鱀豚的通信联络信号。
分析表明，白鱀豚能同时发出三种截然不同的脉冲序列。每个序列有自己的脉冲间隔、脉冲宽度和频率，因而它可能具有三个独立的振动源。这是否与它鼻道中三对气囊有关，
对于低于背景噪声28.7分贝，甚至更低的回放信号，白鱀豚可很好地感知，作出反应。可见白鱀豚对声信号有较高的检测能力。

90、中国声学泰斗对“淇淇”最早的声纳实验
“淇淇”单个的答声的波形及其功率谱
资料引自：荆显英等“白鱀豚（Lipotes Vexillifer）的声信号及声行为”
《中国科学》1981年第2期

我们注意到在这篇报告的结尾，专家们特别提出：
分布及生态调查表明，白鱀豚的存数已经很少，还在继续下降。被轮船螺旋桨击毙是当前白鱀豚致死的重要因素之一。从声行为实验的结果看来，这似乎与白鱀豚声系统的特性有直接的关系，进一步的研究将对白鱀豚的保护提供依据。

第一次记录“淇淇”的水下声信号是在一个长40米、宽35米、深8米的泥底饲养池中仓促进行的，使用的仪器也比较落后。但这却是人类首次记录白鱀豚的声信号。

90、中国声学泰斗对“淇淇”最早的声纳实验
人类首次记录白鱀豚声信号使用仪器的实验简单框图
资料引自：荆显英等“白鱀豚（Lipotes Vexillifer）的声信号及声行为”
《中国科学》1981年第2期

一年之后，“淇淇”已转危为安。中科院声学研究所的荆显英、肖友芙、景荣才等专家与水生所专家组成研究小组，使用先进的进口设备，分别在25×20×4米的方形和直径为15米、深4米的圆形水泥壁和底的饲养池中，对“淇淇”的信号进行了全频带记录和分析。担任“淇淇”饲养员时间最长的王克雄博士在“倾听豚语”一文中生动地讲述了这次极有意义的声学研究的全过程：
研究小组将仪器搬到白鳍豚馆的水池边进行现场调试。白鳍豚生活在水中，由于水面对声音的反射作用，在空气中听不到它发出的声音，只有将接收声音的麦克风置于水下才能听见它的声音。用于接收水下声信号的麦克风被称为水听器，研究人员小心地将从丹麦进口的水听器置于水池中，声信号通过放大，被传到录音机中。记录系统刚开始工作，实验人员便迫不及待地戴上耳机监听。“听到啦！”大家欢呼着，相互传递着耳机，倾听淇淇发出的奇妙声音。淇淇的声音象口哨声，清脆而又响亮，尽管每次只持续1-2秒钟，但婉转悦耳……几乎是纯音信号，人耳能清晰听见。实验人员兴奋之余，又更换仪器，尝试记录频率更高的声音。他们将响应频率更宽的水听器放在水池中，重新启动录音系统，高频录音机上的电位指示开始不停地跳动和上升，表明系统已经记录到了白鳍豚的高频声纳信号，并且声音的频率高达100多千赫兹。水池边又是一阵欢呼。
这次录音非常成功，再次证明白鱀豚在同一时刻能发出频率截然不同的声信号，不仅与其声纳信号的各种用途有关，也反映了其发声过程的复杂性。白鱀豚的探测信号具有线性周期调制特性，使信号有较大的相对带宽。三位声学专家1983年发表了研究报告“白鱀豚的回声定位信号”，对白鱀豚如此超强的回声定位功能提出如下分析：
白鱀豚在波涛滚滚的长江中要不时追捕活鱼充饥和躲避频繁往来的船只，因而在使用其声纳系统时，声源与目标之间总是处在相对运动之中，多普勒效应的影响不可避免。使用线性周期调制信号可能是对这种生态条件相适应的一种表现。
白鱀豚采用线性周期调制信号之后，再加低频部分以进一步扩展其信号的带宽，可能是专为提高其识别性能而设计的。

90、中国声学泰斗对“淇淇”最早的声纳实验
“淇淇”典型的“的答声”的示波器照相图
资料引自：荆显英等“白鱀豚的回声定位信号”
《海洋学报》1983年第1期

在这篇研究报告中，有一段关于“淇淇”发声特性变化的记录耐人寻味：
经一年人工饲养，“淇淇”的声信号依然保持了原来的特点。但由于环境和生活条件的变化，它的发声特性亦产生了一些明显的变化。首先，其发声的频繁程度大为下降。初捕获时几乎不间断地发出“的答声”，啸叫声亦不时地被记录到。而此次记录时“的答声”的发出次数明显下降，如在20：00到20：30的半小时内仅发4次“的答声”，为初捕时同一时间内的十分之一。一列“的答声”内脉冲个数也由平均三十余个减少到六个左右。啸叫声在24小时内仅发出5次。但所发声信号在全天24小时内的分布情况却无明显变化。
（待续）
欢迎光临“海翁伯的博客”，本博客致力于汇集记录最全面、最系统、最详实、最严谨的白鱀豚生命档案，以此追忆我们痛失的“水中国宝”，为拯救长江江豚,为保护中华白海豚鼓与呼。

我的更多文章

下载客户端阅读体验更佳

APP专享