D11 Análise Espectral de Sinais Acústicos Subaquáticos

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A análise espectral de sinais acústicos subaquáticos caracteriza o conteúdo de frequência dos sons produzidos por peixes — suas vocalizações, a estridulação de certas estruturas corporais, a ressonância da bexiga natatória — bem como o ruído ambiente presente em ambientes marinhos ou de água doce. Isso fornece ferramentas para identificar a espécie que produziu um som, avaliar o comportamento reprodutivo dos peixes e detectar o impacto do ruído antropogênico sobre eles. A acústica subaquática opera com o mesmo princípio físico da acústica no ar — ondas de pressão que se propagam longitudinalmente através do fluido — mas com diferenças importantes: o som se propaga na água a uma velocidade muito maior do que no ar, próximo a 1.500 metros por segundo, em comparação com 340 metros por segundo no ar; a água é um meio muito mais denso; e a água não oferece uma interface livre de reflexões onde o som possa se dissipar sem ricochetear.

Para analisar esses sons, a análise espectral transforma o sinal de pressão acústica gravado no domínio da frequência usando a transformada discreta de Fourier ou sua versão computacionalmente mais eficiente, a transformada rápida de Fourier. O resultado dessa transformação é a densidade espectral de potência do sinal, que descreve como a potência total do sinal é distribuída entre suas frequências constituintes.

Para vocalizações de peixes, que são tipicamente pulsos curtos com frequências entre cem e mil hertz, em vez de calcular uma única densidade espectral de potência para toda a gravação, calcula-se um espectrograma. Esse espectrograma é obtido usando uma transformada de Fourier de curto prazo que é repetida em janelas sucessivas ao longo da gravação. Esse espectrograma revela como o conteúdo de frequência muda ao longo do tempo, permitindo a identificação de cada pulso de vocalização, sua frequência fundamental, os harmônicos acompanhantes e a estrutura temporal completa dessa vocalização.

Além de descrever as frequências em que um som ocorre, a análise espectral fornece dois indicadores padrão para quantificar a intensidade desse som: o nível de pressão sonora, que mede a intensidade instantânea de um sinal, e o nível de exposição sonora, que integra essa intensidade ao longo de toda a duração da exposição.

Quando mais de um hidrofone é usado, a função de coerência entre cada par de hidrofones na rede também permite estimar a direção de onde chega um sinal acústico, aplicando o princípio de formação de feixe: esse princípio combina, com pesos variáveis, os sinais captados pelos múltiplos hidrofones na rede para apontar o conjunto em diferentes direções no espaço e, assim, detectar a origem de cada fonte sonora.

O comportamento esperado do ruído de fundo do oceano é que sua densidade espectral de potência siga o espectro de Wenz, que decai acentuadamente, em cerca de vinte decibéis por década de frequência, tanto para ruído causado pelo homem quanto para ruído biológico. Contra esse ruído de fundo decrescente, as vocalizações dos peixes são detectadas precisamente como picos espectrais que se elevam acima dele, picos que, seguindo a mesma análise espectral descrita no início deste modelo, permitem a identificação da espécie que os produziu.

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