Erkennen geselliger Goliath-Zackenbarsche anhand ihrer niederfrequenten Pulstöne

Von Knurren über Pulsieren bis hin zu Booms erzeugen Wale, Fische und Krebstiere alle Geräusche. Tatsächlich sind mehr als 800 Fischarten in der Lage, Geräusche zu machen, um verschiedene Zwecke zu erfüllen, etwa zur Balz und Paarung, zur Verteidigung ihres Reviers oder zur Reaktion auf Bedrohungen. Jede dieser Arten hat eine charakteristische Wellenform, die für ihre „Rufe“ einzigartig ist. Daher kann die Erkennung von Strukturen in diesen Signalen genutzt werden, um die Geräusche verschiedener Arten zu identifizieren.

Die Klassifizierung der von Fischen erzeugten Geräusche wird dabei helfen, zu verstehen, wie sie auf Umweltveränderungen und anthropogene Störungen wie Meereslärm und Fischereitätigkeit reagieren, aber auch auf Umweltveränderungen im Zusammenhang mit der Erwärmung des Wassers aufgrund des Klimawandels oder der Roten Flut, die jetzt im Westen häufig auftritt Küste von Florida.

Passive Akustik ist eine Messmethode zur Erkennung von Geräuschen oder Vibrationen, die von Meeressäugern in freier Wildbahn erzeugt werden. Obwohl diese Technologie dazu beigetragen hat, Aufschluss über die Lebensraumpräferenzen der Fische und ihre Bewegungen zu geben, konnten bislang keine Studien durchgeführt werden, die ihr detailliertes Verhalten veranschaulichen konnten.

Forscher der Florida Atlantic University wählten den geselligen Goliath-Zackenbarsch (Epinephelus itajara) für ihre Studie aus und implementierten und implementierten ein neuartiges automatisiertes Detektor- und Lokalisierungsmodell, um Unterwasserorganismen mithilfe ihrer niederfrequenten Pulsgeräusche zu finden. Mit Fischgeräuschen verbundene Impulse können nach Anzahl der Impulse, Impulsperiode, Frequenz, Oszillogrammform oder einem beschreibenden Namen oder lautmalerischen Wort wie Knurren, Impulsfolge oder Boom kategorisiert werden.

Der Goliath-Zackenbarsch ist eine der größten Zackenbarscharten und erreicht ein Gewicht von bis zu 800 Pfund. Sie erzeugen mit ihrer Schwimmblase und den umgebenden Muskeln laute „Booms“ mit niedriger Frequenz (Spitzenfrequenz 60 Hertz). Diese Ausleger weisen eine „polyzyklische“ Wellenform auf, deren Amplitude für bis zu ein oder zwei Wellenzyklen schnell zunimmt und dann exponentiell abnimmt.

Für die Studie zeichneten die Forscher die Geräusche von Goliath-Zackenbarschen an einem künstlichen Riff im Golf von Mexiko auf, wo die feine Verteilung der Fische in ihrem Lebensraum untersucht wurde. Sie beurteilten ihre Anwesenheit durch Messung der akustischen Aktivität und der Verteilung der Fische im Verhältnis zu ihrem Lebensraum. Die Forscher setzten am künstlichen Riff ein batteriebetriebenes akustisches Array mit sechs Elementen ein, das drei Tage lang kontinuierlich aufzeichnete. Das aus sechs Elementen bestehende akustische Array wurde mit drei Hydrophonen auf der Riffstruktur und drei Hydrophonen auf dem Meeresboden aufgestellt.

Unter Verwendung der Ankunftszeitdifferenz (TDOA) wurde ein Schallquellenlokalisierungsmodell basierend auf gestaffelter angepasster Filterung entworfen. Es verwendet einen zweistufigen Ansatz: Erstens, um den Ton zu identifizieren, und zweitens, um ihn zu lokalisieren. Im ersten Schritt setzten die Forscher einen geräuschadaptiven angepassten Filter ein, der die zeitliche Abstimmung der von den Hydrophonen aufgezeichneten Schallimpulse erkennen und bestimmen sollte. Im zweiten Schritt wurden die erkannten Schallimpulse einem TDOA-Lokalisierungsalgorithmus zugeführt, um die Standorte der Schallquelle zu berechnen.

Ergebnisse der Studie, veröffentlicht in Zeitschrift der Acoustical Society of America, zeigte, dass dieses Modell zur automatischen Verarbeitung großer Mengen akustischer Daten verwendet werden kann und detaillierte Bewegungen von Meeresorganismen liefert, die niederfrequente Schallimpulse erzeugen. Das Modell kann verwendet werden, um eine Gruppe von Meeresorganismen und die damit verbundenen Aktivitäten zu verfolgen, beispielsweise die Nahrungsaufnahme von Meeressäugetieren oder Wirbellosen oder als Reaktion auf Raubtiere oder Paarungspartner oder andere Störungen in ihrem Lebensraum.

„Die Lokalisierung der Rufe von Goliath-Zackenbarschen rund um ihren Lebensraum kann uns die Möglichkeit bieten, etwas über ihre feinskaligen Aktivitätsmuster über einen Bereich von Raum und Zeit, Umgebungslärm und verschiedene Umweltbedingungen zu erfahren“, sagte Hanqi Zhuang, Ph.D., Co- Autor, Lehrstuhlinhaber und Professor im Fachbereich Elektrotechnik und Informatik der FAU an der Fakultät für Ingenieurwissenschaften und Informatik. „Die von uns verwendete Lokalisierungsmethode ist auch auf ähnliche Schallimpulse anwendbar, die von Walen, Delfinen, Hummern, Krabben und anderen Krebstieren ausgesendet werden.“

Die Forscher nutzten den Ansatz der automatisierten Ruflokalisierung, um die Verteilung der Goliath-Zackenbarschrufe am künstlichen Riff zu kartieren, wo die Anordnung zu zwei bestimmten Tageszeiten eingesetzt wurde. Die Studienergebnisse zeigten, dass Geräusche am häufigsten zwischen 1 und 3 Uhr morgens erzeugt wurden. Die Mittagsverteilung zeigte eine Gruppe von Fischen, die sich nahe der Mitte sowie nördlich und östlich des künstlichen Riffs befanden. Während der Nacht konzentrierten sich die Fischrufe eher auf die Nähe des Riffs und südwestlich davon.

„Rufe von Goliath-Zackenbarschen können durch Matched Filtering, das eine generische Vorlage des zu identifizierenden Pulses verwendet, eindeutig identifiziert werden. Dieses Modell mildert durch sein spezifisches Design auch den Mehrwegeeffekt bei der Identifizierung und zeitlichen Abstimmung ihrer Rufe“, sagte Laurent Chérubin, Ph .D., Co-Autor und Forschungsprofessor an der FAU Harbor Branch. „Dieser nicht-invasive, automatisierte Ansatz verarbeitet effizient große akustische Datensätze, um die Entwicklung der räumlichen Verteilung der Schallquelle kontinuierlich mit relativ hoher Präzision abzubilden.“