Реверберация, как процесс отражения и рассеяния различными неоднородностями звуковой волны, приводящий к послезвучанию, затрудняет восприятие акустической информации. В морской среде существует объемная, поверхностная и донная реверберации. Объемная реверберация в толще воды обычно невелика, если нет большого количества биологических рассеивателей (рыб, планктона и т п). Поверхностная реверберация происходит из-за рассеяния звука колеблющейся поверхностью моря и большого количества растворенных в верхнем слое воды воздушных пузырьков. Она вызывает мощную помеху, которая тем больше, чем неспокойнее море. Эта помеха маскирует объект поиска, находящийся вблизи поверхности. Донная реверберация возникает из-за рассеивания звуковой энергии от неоднородностей и неровности дна (камни, твердые грунты). Она акустически маскирует предметы, лежащие на дне или находящиеся в слое морских осадков. Наличие реверберации является проблемой для слуховых систем эхолоцирующих морских животных, таких как дельфины. Трудность заключается в том, что реверберация, как ответная акустическая реакция среды, происходит на той же частоте, что и излученный эхолокационный импульс. Поэтому недостаточно просто перейти в другой от помехи частотный диапазон, нужна более комплексная отстройка. Как показали исследования, она у дельфинов не только эхолокационная, но и поведенческая.

В наших исследованиях была поставлена задача оценить возможность адаптации эхолокации и поведения афалин при поиске, обнаружении и идентификации объектов, находящихся на разных глубинах акватории, в том числе под слоем морских осадков, с различной интенсивностью реверберации. Опыты проходили в свайно-сетевом вольере морской бухты по поведенческой методике с пищевым подкреплением в условиях свободного плавания животных. Перед дельфином ставилась задача не только обнаружить положительную мишень (стальной цилиндр высотой 120 мм, диаметром 120 мм, толщиной стенок 5 мм), но и отличить ее от отрицательной мишени, тех же размеров, но из латуни.

Объемная реверберация для эхолокации дельфинов проблемы обычно не представляет. В толще воды дельфин использует обычные (наиболее комфортные для него) эхолокационные импульсы, короткие по длительности (10-12 мкс) с широкополосным энергетическим спектром, с верхней границей до 140-170 кГц [1].

Наши исследования [2] показали, что в начале поиска цели, находящейся вблизи поверхности, дельфин излучает обычный широкополосный (до 170 кГц) сигнал короткой длительности (10-12 мкс). После обнаружения мишени при ее идентификации, как более сложной задачи, дельфин изменяет структуру эхосигнала: сужает его спектр по верхней границе до 40-60 кГц и увеличивает его длительность до 45 мкс, увеличивая так же амплитуду сигнала.

Было установлено [3], что при поиске цели в придонной области дельфин переходит от импульсов, применяемых им при локации в толще воды, к сигналам со смещенным спектром в область низких и средних частот до 100 кГц с максимумом в районе 50 кГц. Длительность импульса возрастает до 15 мкс. Если объект скрыт слоем морских осадков, что еще более затрудняет обнаружение и распознавание, происходит дальнейшее изменение структуры сигнала. Эффективная полоса спектра сужается до 80 кГц с максимумом в районе 20 кГц. Длительность сигнала увеличивается до 17-20 мкс, а его амплитуда возрастает в полтора раза по сравнению с сигналами при поиске на дне и в четыре раза по сравнению с поиском в толще воды. Кроме частотной отстройки и выбора частотного диапазона, менее подверженного затуханию, это увеличивает энергию сигнала, что бы компенсировать его ослабление при затухании и многочисленных отражениях.

Кроме того, что сонар дельфина способен адаптивно менять три параметра локационного импульса – длительность, частоту и интенсивность, было показано [3, 4], что дельфин меняет и поведенческую стратегию поиска, переходя от линейного движения к движению по более сложной траектории. При идентификации мишени дельфин совершает над ней вращательные движения, постепенно приближаясь к ней по поверхности конуса с вершиной в точке мишени. Это позволяет ему находить оптимальное место и угол локации, необходимые для получения полной информации об объекте в грунте, необходимой для его распознавания.

Работа выполнена в рамках госзадания № 122022600167-5 на 2023 г.



Ключевые слова: дельфин, локация, поиск, идентификация, спектр сигнала.



Литература:

1. Дубровский Н.А. Эхолокационный анализатор черноморской афалины// Черноморская афалина Tursiops truncatus ponticus. Морфология, Физиология. Акустика. Гидродинамика. Под. ред. Соколова В.Е., Романенко Е.В. М. 1997. 672 с.

2. Зайцева К.А., Королев В.И., Кривченко А.И., Ахи А.В., Бутырский Е.Ю. Способность дельфинов (Tursiops truncatus) целенаправленно изменять спектрально-временные параметры локационных сигналов // Журн. эвол. биохим. физиол. 2019. Т. 55. №3. С. 211-214. DOI:10.1134/S0022093019030098.

3. Zaitseva K.A., Korolev V.I., Akhi A.V., Akhi A.A. Adaptation of dolphin`s (Tursiops truncatus) location signals when searching for and identifying objects hidden by sea sediments. Bioacoustics. 2021. V. 31. №5. P. 535-544. . DOI: 10.1080/09524622.2021. 1994467.

4. Zaitseva K.A., Korolev V.I., Akhi A.V., Butyrskiy E.Yu. Detection of targets masled by marine sediments in dolphins Tursiops truncates. // J. Evol. Biochem. Physiol. 2020.V. 56. №6. P. 76-81. DOI: 10.31857/S004445292006011X.

Reverberation, as a process of reflection and scattering by various inhomogeneities of a sound wave, leading to aftersound, makes it difficult to perceive acoustic information. In the marine environment, there are volumetric, surface, and bottom reverberations. Volumetric reverberation in the water column is usually small unless there are a large number of biological scatterers (fish, plankton, etc.). Surface reverberation occurs due to the scattering of sound by the oscillating surface of the sea and the large number of air bubbles dissolved in the upper layer of water. It causes a powerful interference, which is the greater, the more restless the sea. This interference masks the search object located near the surface. Bottom reverberation occurs due to the dispersion of sound energy from the inhomogeneities and unevenness of the bottom (stones, hard ground). It acoustically masks objects lying on the bottom or in a layer of marine sediments. The presence of reverberation is a problem for the auditory systems of echolocating marine animals such as dolphins. The difficulty lies in the fact that reverberation, as an acoustic response of the environment, occurs at the same frequency as the emitted echolocation pulse. Therefore, it is not enough just to switch to a different frequency range from the interference; a more complex tuning is needed. Studies have shown that dolphins use not only echolocation tuning, but also behavioural changes.

In our studies, the task was to evaluate the ability of adaptation of echolocation and behaviour of bottlenose dolphins in the search, detection, and identification of objects located at different depths of the water area, including under a layer of marine sediments, with different reverberation intensity. The experiments were carried out in a pile-net enclosure of the sea bay according to the behavioural method with food reinforcement in conditions of free swimming of animals. The task of the dolphin was not only to detect a positive target (steel cylinder 120 mm high, 120 mm in diameter, 5 mm thick walls), but also to distinguish it from a negative target of the same dimensions but made of brass.

For dolphin`s echolocation, volumetric reverberation is usually not a problem. In the water column, the dolphin uses ordinary (most comfortable for it) echolocation pulses, short in duration (10–12 μs) with a broadband energy spectrum, with an upper limit of up to 140–170 kHz [1].

Our studies [2] have shown that at the beginning of the search for a target located near the surface, the dolphin emits a conventional broadband (up to 170 kHz) signal of short duration (10–12 μs). After detecting the target and identifying it as a more complex task, the dolphin changes the signal structure: the signal spectrum is narrowed along the upper boundary to 40–60 kHz and its duration is increased to 45 µs, with an increase in the signal amplitude.

It was found [3] that when searching for a target in the near-bottom area, the dolphin switches its signals. Instead of the pulses it uses when locating a target in the water column, the dolphin uses signals with a shifted spectrum in the region of low and medium frequencies up to 100 kHz with a maximum around 50 kHz. The pulse duration increases to 15 μs. If the object is hidden by a layer of marine sediments, which makes detection and recognition even more difficult, a further change in the signal structure occurs. The effective bandwidth of the spectrum narrows to 80 kHz with the maximum around 20 kHz. The signal duration increases to 17-20 µs, and its amplitude increases by a factor of one and a half compared to the signals when searching at the bottom and four times compared to searching in the water column. In addition to the frequency tuning and the selection of a frequency range less prone to attenuation, this increases the energy of the signal to compensate for attenuation and multiple reflections.

In addition to the fact that dolphin sonar is able to adaptively change three parameters of the location pulse — duration, frequency, and intensity; it was shown [3, 4] that the dolphin also changes the behavioural search strategy, transitioning from linear movement to movement along a more complex trajectory. When identifying the target, the dolphin performs rotational movements above the target, gradually approaching it along the surface of the cone with the apex at the target point. This allows the dolphin to find the optimal position and location angle required to obtain complete information about the object in the ground necessary for its recognition.

The study is supported by the IEPhB Research Program for 2023 № 122022600167-5



Key words: dolphin, location, search, classification, signal spectrum.



References:

1. Dubrovsky N.A. The Black Sea Bottlenose Dolphin: the Echolocation Analyzer//The Black Sea Bottlenose Dolphin Tursiops truncates ponticus. Morphology. Physiology. Acoustics. Hydrodynamics. Moscow. Nauka. 1997. 672 p.

2. Zaitseva K.A., Korolev V.I., Krivchenko A.I., Akhi A.V., Butyrskiy E.Yu. J. Evol. Biochem. Physiol. 2019. V. 55, №3. P.211-214. DOI: 10.1134/S0022093019030098.

3. Zaitseva K.A., Korolev V.I., Akhi A.V., Akhi A.A. Bioacoustics. 2021. V. 31. №5. P. 535-544. DOI: 10.1080/09524622.2021. 1994467.

4. Zaitseva K.A., Korolev V.I., Akhi A.V., Butyrskiy E.Yu. J. Evol. Biochem. Physiol. V. 56. №6. P. 76-81. DOI: 10.31857/S004445292006011X.