看得見的歌聲：海豚鯨類完美聲譜圖

據英國《新科學家》網站報道:在浩瀚的海洋中，除了驚濤駭浪的怒吼之外，其實還有優美動聽的歌聲。鯨類和海豚它們的歌聲不僅僅優美動聽，而且看起來也賞心悅目。近日，聲學工程師利用一些特殊的技術，將鯨類和海豚的歌聲變成可視化的美麗圖案，而且該技術可以比傳統的鯨之歌，可視化技術捕獲更多的聲音信息。



1.座頭鯨交配時的聲音

這是聲學工程師費舍爾，利用聲學技術將座頭鯨交配時的聲音中的低頻率呻吟聲和哭聲，按逆時針方向以可視化的圖形展現出來。本圖所表達的聲音錄音於夏威夷。



2. 小鬚鯨歌聲聲譜的傅立葉轉換圖

為了識別動物的物種，海洋生物學家通常通過繪製動物歌聲的聲譜圖，從而將聲音可視化。本圖是小鬚鯨大聲呼叫時聲音的逆時針頻率圖。原始的聲音通過一種被稱為「傅立葉轉換」的數學過程，轉換成正弦頻率分量。

傅立葉轉換通常能夠較好地描述重複的、持續性的噪音，但是不適合用來轉換某些物種發出的斷音。鯨類和海豚的歌聲在音調、音量和長度方面變化很多。在本圖中看到的這種線性光譜，就是來自小鬚鯨的「啵嚶」呼叫聲，其中一些細節已經被抹去，一些單獨的脈衝也已無法分辨出來。



3. 小鬚鯨歌聲聲譜的小波轉換圖

費舍爾更喜歡利用一種不太常用的數學過程對聲譜進行轉換，這個數學過程就是被稱為「小波轉換」的過程。本圖顯示的同樣是小鬚鯨的「啵嚶」呼叫聲，但是從圖片中可以明顯看出，小波轉換比傅立葉轉換的正弦波更適合捕捉鯨類的聲音。

圖中的綠點，所代表的脈衝一個個都更加清晰。費舍爾表示:「傅立葉轉換通常使用的比較多，因此它已成為人們在研究聲音時的唯一轉換方式。但是，對於鯨類來說，它們的聲音可以實現很多事情，這些都是在普通光譜圖中看不到的。」



4. 小鬚鯨歌聲

本圖同樣是小鬚鯨歌聲的可視化效果圖，但是此前的線性圖案已被繪製成一圈圈的圓環形。費舍爾有時還會對自己獲得的聲音圖片進行再製作:比如他有時將聲音圖片層層堆疊從而產生花朵圖案，有時將聲音圖案進行裡外翻轉或放大，從而產生特定的圖案效果。不過費舍爾表示，他更喜歡聲音的原始形狀。本圖所示的聲音，由美國加利福尼亞州西南漁業科學中心的研究人員錄製。



5. 小鬚鯨歌聲

本圖是相同的小鬚鯨歌聲，經過不同的小波轉換產生的可視化效果圖。由於有數百種小波類型可以使用，因此費舍爾選擇了其中最能表達小鬚鯨歌聲、或是最能產生理想的審美效果的一種。



6. 花斑原海豚歌聲

本圖，是由一隻花斑原海豚的叫聲所形成的圖案，聲音錄製於北大西洋亞述爾群島海域。這隻花斑原海豚既會發嘀嗒聲、也會發出口哨聲。其中，嘀嗒聲由向外輻射的直線來表達，粗的黑線代表口哨聲。這些聲音音量較低，可能還有來自其他海豚的聲音。



7. 偽虎鯨歌聲

本圖所示的是偽虎鯨的歌聲，聲音錄製於北大西洋亞述爾群島海域。偽虎鯨的名字前之所以多了一個「偽」，就因為它們與海豚的關係比與虎鯨的關係更近。

它們的歌聲中，包含了各種不同的高頻率嘀嗒聲、口哨聲和尖叫聲，這些聲音主要用於回聲定位和相互通訊。在本圖中，可以看到它們是如何同時發出嘀嗒聲和口哨聲的，其中嘀嗒聲是徑向輻線，而口哨聲則是圖片中央模糊的部分。



8.白吻斑紋海豚嘀嗒聲

本圖表達的是由白吻斑紋海豚所發出的嘀嗒聲。它們發出這種嘀嗒聲主要是用於回聲定位，頻率大約為15萬赫茲。本圖中的聲音錄音於冰島附近的北大西洋中。



9.白吻斑紋海豚嘀嗒聲
　　
本圖所表達的聲音與前一圖相同，但費舍爾採用了不同的小波類型進行轉換，並對轉換結果進行再製作，從而形成了圖中美麗的花朵圖案。本圖其實是一種合成圖，「花朵」的每個花瓣分別是由錄音中的不同部分的可視化圖像所形成的。費舍爾把每一聲音片段的圖像層疊、旋轉並改變大小，最終產生了本圖的效果。