D11 Spektralanalyse von akustischen Unterwassersignalen

Thema

Die Spektralanalyse von Unterwasserschallsignalen charakterisiert den Frequenzgehalt der von Fischen erzeugten Laute – ihrer Rufe, des Stridulationsgeräusches bestimmter Körperstrukturen, der Resonanz der Schwimmblase – sowie des Umgebungsgeräusches in Meeres- und Süßwasser. Dies ermöglicht die Identifizierung der Art, die ein Geräusch erzeugt hat, die Bewertung des Fortpflanzungsverhaltens von Fischen und die Untersuchung der Auswirkungen anthropogener Lärmquellen. Die Unterwasserakustik basiert auf demselben physikalischen Prinzip wie die Akustik in der Luft – der Ausbreitung von Druckwellen in Längsrichtung durch das Fluid –, weist jedoch wichtige Unterschiede auf: Schall breitet sich in Wasser mit einer deutlich höheren Geschwindigkeit aus als in Luft, nämlich mit etwa 1500 Metern pro Sekunde im Vergleich zu 340 Metern pro Sekunde in Luft; Wasser ist ein wesentlich dichteres Medium; und es gibt keine reflexionsfreie Grenzfläche, an der sich Schallwellen ungehindert ausbreiten können.

Zur Analyse dieser Geräusche transformiert die Spektralanalyse das aufgezeichnete akustische Drucksignal mithilfe der diskreten Fourier-Transformation oder ihrer recheneffizienteren Variante, der schnellen Fourier-Transformation, in den Frequenzbereich. Das Ergebnis dieser Transformation ist die spektrale Leistungsdichte des Signals, die beschreibt, wie sich die Gesamtleistung des Signals auf seine einzelnen Frequenzen verteilt.

Bei Fischlauten, die typischerweise kurze Impulse mit Frequenzen zwischen 100 und 1000 Hertz sind, wird anstelle der Berechnung einer einzigen spektralen Leistungsdichte für die gesamte Aufnahme ein Spektrogramm erstellt. Dieses Spektrogramm wird mithilfe einer Kurzzeit-Fourier-Transformation gewonnen, die in aufeinanderfolgenden Zeitfenstern über die gesamte Aufnahme wiederholt wird. Das Spektrogramm zeigt, wie sich der Frequenzgehalt im Laufe der Zeit verändert und ermöglicht so die Identifizierung jedes Lautimpulses, seiner Grundfrequenz, der zugehörigen Obertöne und der vollständigen zeitlichen Struktur des Lautes.

Neben der Beschreibung der Frequenzen, bei denen ein Schall auftritt, liefert die Spektralanalyse zwei Standardindikatoren zur Quantifizierung der Schallintensität: den Schalldruckpegel, der die momentane Intensität eines Signals misst, und den Schallexpositionspegel, der diese Intensität über die gesamte Expositionsdauer integriert.

Werden mehrere Hydrophone verwendet, ermöglicht die Kohärenzfunktion zwischen jedem Hydrophonpaar im Netzwerk die Bestimmung der Einfallsrichtung eines akustischen Signals mithilfe des Beamforming-Prinzips. Dieses Prinzip kombiniert die von den Hydrophonen erfassten Signale mit unterschiedlichen Gewichtungen, um das Array in verschiedene Richtungen im Raum auszurichten und so den Ursprung jeder Schallquelle zu ermitteln.

Das erwartete Verhalten des Hintergrundrauschens im Ozean ist, dass seine spektrale Leistungsdichte dem Wenz-Spektrum folgt, welches sowohl bei anthropogenem als auch bei biologischem Rauschen um etwa 20 Dezibel pro Frequenzdekade stark abfällt. Vor diesem abnehmenden Hintergrundrauschen werden die Lautäußerungen der Fische präzise als spektrale Spitzen erfasst, die sich darüber erheben. Mithilfe der zu Beginn dieses Modells beschriebenen Spektralanalyse können anhand dieser Spitzen die jeweiligen Arten identifiziert werden.

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