1、本科毕业论文（20 届）强噪声对大黄鱼发声信号的影响所在学院 专业班级 海洋科学 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 目 录摘 要 .IAbstract .II第一章 绪 论 .1第二章 声信号的研究方法 .32.1 声信号的参数选择 .32.2 声信号的采样 .32.3 信号分析方法 .42.3.1 时域分析 .42.3.2 频域分析 .62.4 噪声的频谱分析 .7第三章 噪声及大黄鱼发声信号分析 .93.1 典型噪声分析 .93.1.1 船舶噪声特征 .93.1.2 水下爆破噪声特征 .123.2 大黄鱼的发声信号分析 .143.2.1 时域特征分析 .153.2.2 频域
2、特征分析 .16第四章 总结和讨论 .18参考文献 .19致 谢 .20本科毕业论文 摘要I摘 要大黄鱼是我国一种重要的经济鱼类，且以能发出明显声音著称。近年来，浅海网箱养殖环境逐年恶化。当网箱养殖海域附近经常出现水下工程作业等人为噪声污染时，许多大黄鱼往往会受惊跳出水面，出现几天无食欲，甚至死亡的现象。更为严重的是，受到水下噪声惊扰的大黄鱼经过一段时间的养殖后会表现出生长缓慢、成熟个体小型化等现象，严重制约了大黄鱼养殖业的健康发展。因此研究分析了解强噪声对大黄鱼的影响，对大黄鱼的网箱养殖生产具有重要的实际意义。本文首先简要介绍了水下噪声对海洋生物的影响及大黄鱼发声信号的研究现状的概况；然后分
3、析了处理声信号的不同方法，如时域分析和频域分析，并运用这些方法分别对大黄鱼的发声、船舶噪声以及水下爆破噪声分别进行了具体分析，得出各自的特点。在了解了大黄鱼发声信号以及各种噪声的声学特点之后，最后分析它们之间的联系，得出强噪声对大黄鱼发声信号的影响原理。关键词：大黄鱼 船舶噪声 爆破噪声本科毕业论文 AbstractIIAbstractLarge yellow croaker is an important economic fish in China, and is known to be able to convey a clear voice. In recent years, the
4、environment of cage culture in shallow sea is deteriorataing year by year. When there are often have Man-made noise near the fish farms, many large yellow croakers often out of water, and there is no appetite a few days, or even death. More serious is that large yellow croakers will show slow growth
5、 and mature individuals become little after they were disturbed by underwear noise a period of time, which has seriously hampered the healthly development of the aquaculture industry. Therefore, researching and analysising the impact of noise on the voice of large yellow croaker has important practi
6、cal significance for the cage culture of large yellow croaker.At first,this article introduces the influence of underwater noise on marine life and the reserch status of the audible signal of large yellow croaker, and put forward the meaning of this study. Then analysis the different methods on proc
7、essing audible signal, such as time domain analysis and frequency domain analysis, and analysis the audible signal of large yellow croaker, ship noise and the noise of underwater blasting with these methods. Finally, introduces the impact mechanism of underwater noise on the vice of larger yellow cr
8、oaker.Keywords： larger yellow croaker, ship noise, noise of underwater blasting本科毕业论文 绪论1第一章 绪 论生活在一定环境的生物一定生活在一定的背景噪声中，海洋生物赖以生存的水下环境就充斥着各种噪声，统称为水下噪声。这种噪声从来源上看，可以分为两种：一种是在自然状态由各种物理因子如风、水流等产生的，或是动物自生发出的自然噪声；另一种是由人类的生产、生活和交通等活动产生的人为噪声。随着海上运输、沿海工程建设以及海上军事活动的日益频繁，原本安详、寂静的浩瀚海洋如今也是热闹非凡。研究人员指出 1，所有这些活动都在海水
9、中制造了大量的噪声，给海洋动物带来严重的危害。人为制造的这些海底噪声将对海洋动物的听觉和行为造成干扰，迫使有些海洋动物不得不离开海洋，爬到海边和沙滩上。研究人员最近已经得到确切证据，表明所有这些海洋噪声已经导致海洋生物患上各种疾病。中国沿海的主要经济鱼类大黄鱼，就是其中之一。大黄鱼，硬骨鱼纲，鲈形目，石首鱼科，黄鱼属，又名黄鱼、大王鱼、大鲜、大黄花鱼、 红瓜、金龙、黄金龙、桂花黄鱼、大仲、红口、石首鱼、石头鱼、黄瓜鱼。它们能发出强烈的间歇性声响，同时对音响也很敏感。它的主要发音器官是鳔及其两侧的声肌。当声肌收缩时，压迫内脏使鳔共振而发声。在生殖季节鱼群终日发出“咯咯”、 “呜呜” 的叫声，声音
10、之大在鱼类中少见。近期，为了了解大黄鱼发声的声学特性以及与其行为之间的关系，任新敏、高大治等人 2对大黄鱼不同行为下的声信号特征进行了分析比较。经分析得知，不同行为下大黄鱼发声的频谱特性基本上是相同的，原因在于大黄鱼发声的谱峰频率与鱼鳔及声肌等器官的收缩有关，也就是说与鱼的结构特性有关，而与它们的行为关系较小。但在不同行为下大黄鱼发声信息的时域特征差距较大。在觅食时，大黄鱼发出的声信号一般是简单的单脉冲，并且脉冲间隔比较小；而在大黄鱼产卵时发出的声信号则大部分是连续的双脉冲或三脉冲，只有极个别为单脉冲或多脉冲，脉冲间隔也要大得多。刘贞文、覃柳怀等人 3的研究表明，自由状态下和受惊吓状态下大黄鱼
11、的发声信号存在明显差别：在自由状态下，大黄鱼的发声一般以单脉冲为主，而在受惊吓后发出的声信号则以脉冲串为主，且每个脉冲串包括 3-5 个单脉冲，其中以 4 个脉冲居多；在频域特征上，自由状态下的大黄鱼叫声信号只有一个谱峰，谱峰的频率在 550-750Hz，而受惊吓状态下的大黄鱼叫声的各单脉冲存在两个谱峰，第一个谱峰的频率大约在 550-750Hz，第二个谱峰频率在 1400-1600Hz，但各脉冲串中首脉冲的次谱峰声压强度远远大于其余脉冲次谱峰的上压强度。此外，不同规格大黄鱼发出的声信号亦不同，体长及鱼龄越大的鱼，其发声强度越大；但在频谱图中，其第一个谱峰的频率反而越低，即较大的鱼反而产生较低
12、频的声音。本科毕业论文 绪论2大黄鱼是我国近海主要的经济鱼类，为传统“四大海产” （大黄鱼、小黄鱼、带鱼、乌贼）之一。但是，由于近几十年中国沿海捕捞事业的不合理发展，野生大黄鱼的产量急剧下降，甚至到了“一鱼难求”的境地。随着沿海网箱养殖技术的日益成熟，大黄鱼的生长、发育和繁殖又有了新的转机，网箱养殖大黄鱼在中国沿海海域蓬勃兴起。但是好景不长，近年来，浅海网箱养殖环境逐年恶化。当网箱养殖海域附近经常出现水下工程作业等人为噪声污染时，许多大黄鱼往往会受惊跳出水面，出现几天无食欲，甚至死亡的现象。更为严重的是，受到水下噪声惊扰的大黄鱼经过一段时间的养殖后会表现出生长缓慢、成熟个体小型化等现象，严重制
13、约了大黄鱼养殖业的健康发展。因此研究分析了解强噪声对大黄鱼的影响，对大黄鱼的网箱养殖生产具有重要的实际意义。本科毕业论文 声信号的研究方法3第二章 声信号的研究方法2.1 声信号的参数选择音调、响度和音色并称为声音的三要素，用它们可以用来描述具有振幅、频率和相位三个物理量的任何复杂的声音。1、音调，就是指声音的高低，它由生源振动的频率决定，发声信号的音调会随着振动频率的加快为升高，反之则降低。2、响度，又称声强或音量，它可以用来标示声音能量的强弱程度，主要由气压变化振幅的大小（即声压）决定。就人的听觉上说，它对声音强度的主观感觉与客观实际强度并不一致，而人的主观感觉就称之为响度，其单位为分贝(
14、dB)，它是根据 1000Hz 的声音在不同强度下的声压比值，取其常用对数值的 1/10 而定的 4。3、音色，就是声音的品质，声信号谐波频谱的包络决定了不同声音的品质。单一频率的声信号称为纯音，具有谐波的声信号则称为复音。每个声信号波形都有一个清楚的基音，除此之外还有许多不同频率的泛音相伴，而声信号不同的音色就是由这些泛音决定的。声学的基本参量则主要包括声压、声压级和声能量等 4。声压是指有声波存在时，媒质中的压力与静压的差值，其单位是帕斯卡（pa） 。介质中有声场时的压强 P 与无声场时的压强 P0 之差即为声压。由于声压的测量比较容易实现，通过声压的测量也可以间接求得质点速度等其它物理量
15、，所以声学中常用这个物理量来描述声波。表示声压大小的指标称为声压级。声压级以符号 SPL 表示，其定义为将待测声压有效值与参考声压的比值取常用对数，再乘以 20，其单位为 dB。声波在煤质中传播时产生的声能量包括两方面，一方面使煤质质点在平衡位置附近往复运动，产生动能；另一方面又使煤质产生了压缩和膨胀的疏密过程，使煤质具有形变的势能。2.2 声信号的采样采样过程，就是把连续信号转换成脉冲或数码序列的过程。一般采样控制系统加到被控对象上的信号都是连续的，那么，如何将离散信号不失真的恢复到原来的形状，便涉及采样频率如何选取的问题。采样定理指出了由离散信号完成全恢复相应连续信号的必要条件。下面简要介
16、绍一下两种采样定理：时域采样定理 5：设连续信号 x(t)得频谱为 X(f)，以采样频率 对 x(t)采样得离sf散信号 。如果频谱 X(f)和采样频率 满足(条件：X(f)是频域有限信号，其截频)(nx s为 ，即当| f| 时，有 X(f)=0， 或 2 )，则可以有离散信号 完全确cfc Tsc )(nx定频谱 X(f)，并且可由 完全确定连续信号 x(t)。)nx频域采样定理 5：设时域有限信号 x(t)，t 0，T，它的连续频谱为 X(f),则以本科毕业论文 声信号的研究方法4为频率间隔对 X(f)采样得 X(nf)( )， ，由这些离散值 X( )T1 Tf102,nTn1可以恢复
17、出信号在 t 0，T上的 x(t)，而且还可以恢复出连续频谱 X(f)。频域采样定理亦称为连续采样定理，它反映出连续谱和离散谱的关系。此定理之所以成立，关键在于时间信号是有线长度的。时域有限信号可以展开为傅里叶级数，因而可以用离散谱表示，连续谱也就可以由其采样序列来恢复。时域采样定理同频域采样定理相比较，使我们更进一步地了解了信号在时域和频域内的对应关系。也是我们了解到，在一定条件下，连续信号中只需去一序列离散点，就能包含连续信号的全部数据。2.3 信号分析方法信号分析是对检测信号的在加工过程，是通过适当的运算提取信号或信号间的特征值的过程。一般情况下，信号分析的类型可分为：时域分析、频域分析
18、、统计分析、幅值分析和信号瞬态分析图。本实验主要采用的是时域分析、频域分析和统计分析，下面就对在这几种分析方法做一下简要介绍。2.3.1 时域分析时域分析方法 6，其基本思路是将时间过程离散化，在每个小时段内把动力问题拟静力问题求解，然后迭加得到总体反应。这类分析方法的特点是：1、表示的信号比较直观、物理意思明确；2、实现起来比较简单、运算量少；3、可以得到信号的一些重要参数。时域分析方法主要包括短时能量分析、短时过零分析、短时相关分析、概率统计分析等方法。能量分析 7包括能量和幅度两个方面，通过多信号流进行分段或分帧处理实现能量的短时分析。信号的分帧用可移动窗口来实现，定义短时平均能量：E
19、= = （21）nmnwx2)()nNmwx1)()其中 w(n)为窗函数。可见，E 是以 n 为标志的。又因为有音段的短时能量 E 比无n音段时的短时能量大得多，所以短时能量可以用来区分有音段的无音段。但是能量值 E 对高电平信号非常敏感（因为它计算时用的是信号的平方） ，为n此可以采用另一种度量信号幅度值变化的函数，即“ 短时平均幅度值 M ”，其定义n为：本科毕业论文 声信号的研究方法5M = （22）nmnwxnwx)(*|)()|前面所说的函数窗可以是连续的，也可以是交叠重合，窗口可以是汉宁窗。长度为 N 的汉宁窗定义为：wn=0.5+0.5cos |n| ，其他为零。 （23）12
20、N2/)(汉宁窗可以看作是 3 个矩形时间窗的频谱之和，或者说是 3 个 sinc（t）型函数之和，而括号中的两项相对于第一个谱窗向左、右各移动了 /T，从而使旁瓣互相抵消，消去高频干扰和漏能。短时过零分析 7即分析信号的过零值。对于连续信号，可以考察其时域波形通过时间轴的情况，对于离散信号，如果相邻的值符号改变则称为过零。由此计算过零数，过零数就是样本改变符号的次数。单位时间内的过零数成为平均过零数，它可以很精确的度量窄带信号的频率，也可以粗略估算宽带信号的频谱，短时平均过零数为：（2)(|1(sgn)(s|)(|)1(sgn)(s| nwxmnwxmxZn 4）式中 sgn是符号函数。在无
21、音段时，能量主要集中在高频段，高频段意味着高的过零率。在有音段，能量集中在低频段，低频段意味着低的过零率。但是这种高和低的关系只是相对的，没有精确的度量。所以可以用平均过零数类区分有音段和无音段。大量统计参数在时域或是频域中都会大量出现。时域中一般应用的是无量纲统计参数，如平均值、峰值、均方幅值、波形指数、峰值因子、脉冲指标、峭度系数、自相关系数、相互关函数等。而在频域中常用参数有频率、频率下降率、幅值谱、功率谱、自功率谱密度函数、相互功率密度函数、频响函数等。其中：平均值用于描述了随机信号的静态分量，它不随时间而变化。若连续随机信号是各态经历的，则随机信号 x(t)均值可表示为：（25）Td
22、txE0)(1lim随机信号 x(t)的均方值表示信号的强度或功率，其表达式为（26）Txt022)(li随机信号 x(t)的均方值，也是信号能量的一种描述，其表达式为（27）Txdtx02)(1lim本科毕业论文 声信号的研究方法6随机信号 x(t)的方差是信号的幅值相对于平均值分散程度的一种表示，也是信号纯波动分量大小的反映。其表达式为（28）Txx dttE022)(1lim)( 随机信号 x(t)的均方差（标准差）和方差的表示意义相同，可表示为（29）Txz tt02)(li2.3.2 频域分析频域分析方法 6：其基本思路是将频域离散化，针对每个小频段内的动力问题运用频域传递函数求解，
23、然后迭加得到总体反应。（1）离散傅里叶变换（DFT）离散时间傅里叶变换（DTFT）是数字信号分析的一个工具，相当于模拟信号分析的傅里叶变换。DTFT 把信号或过滤器从时域变换到频域，这主要是为了研究信号或过滤器的频率特征。对于程度为 N 的离散时间序列 x(n)(n=0,1,2,，n，N -1),其傅里叶变换可表示为：（210）NnkjNnekX1*210)()( 与时域采样相对应，信号 x(t)以 T 为周期交易延拓。该周期离散信号的傅里叶表示为： （211）NjNnnkjekX2101*2)()( 由于 ，所以12Nje（212）)()()(101*2kXenxkXNNnkj式中 n时序号(n=0,1,2,N-1)；K频序号(n=0,1,2,N-1)。（212）式表明 X(k)是以 N 为周期的周期函数，因此只许计算 N 个值就可以表示周期离散信号的傅里叶变换了。若令旋转因子 ，则（212）式又可以写成下列形式，即jWe/2
