科學的完美世界

據英國《新科學家》網站報道，在浩瀚的海洋中，除了驚濤駭浪的怒吼之外，其實還有優美動聽的歌聲。

鲸類和海豚都是海洋中著名的歌唱家，它們的歌聲不僅僅優美動聽，而且“看”起來也賞心悅目。近日，聲學工程師馬克·費舍爾利用一些特殊的技術将鲸類和海豚的歌聲變成一種可視化的美麗圖案，而且該技術可以比傳統的鲸之歌可視化技術捕獲更多的聲音信息。

http://www.newscientist.com/data/av/audio/article/mg20527452.200/humpback.mp3

1. 座頭鲸呻吟聲

這是費舍爾利用聲學技術将座頭鲸交配時的聲音中的低頻率呻吟聲和哭聲按逆時針方向以可視化的圖形展現出來。本圖所表達的聲音錄音于夏威夷。點擊下面鏈接可收聽座頭鲸交配時的聲音。[音頻]

2. 小須鲸歌聲聲譜的傅立葉轉換圖


爲了識别動物的物種，海洋生物學家通常通過繪制動物歌聲的聲譜圖從而将聲音可視化。本圖是小須鲸大聲呼叫時聲音的逆時針頻率圖。原始的聲音通過一種被稱爲“傅立葉轉換”的數學過程轉換成正弦頻率分量。傅立葉轉換通常能夠較好地描述重複的、持續性的噪音，但是不适合用來轉換某些物種發出的斷音。鲸類和海豚的歌聲在音調、音量和長度方面變化很多。在本圖中看到的這種線性光譜，就是來自小須鲸的“啵嘤”呼叫聲，其中一些細節已經被抹去，一些單獨的脈沖也已無法分辨出來。點擊下面鏈接可收聽小須鲸的“啵嘤”呼叫聲。[音頻]

3. 小須鲸歌聲聲譜的小波轉換圖


費舍爾更喜歡利用一種不太常用的數學過程對聲譜進行轉換，這個數學過程就是被稱爲“小波轉換”的過程。本圖顯示的同樣是小須鲸的“啵嘤”呼叫聲，但是從圖片中可以明顯看出小波轉換比傅立葉轉換的正弦波更适合捕捉鲸類的聲音。圖中的綠點所代表的脈沖一個個都更加清晰。費舍爾表示，“傅立葉轉換通常使用的比較多，因此它已成爲人們在研究聲音時的唯一轉換方式。但是，對于鲸類來說，它們的聲音可以實現很多事情，這些都是在普通光譜圖中看不到的。”

4. 小須鲸歌聲


本圖同樣是小須鲸歌聲的可視化效果圖，但是此前的線性圖案已被繪制成一圈圈的圓環形。費舍爾有時還會對自己獲得的聲音圖片進行再制作，比如他有時将聲音圖片層層堆疊從而産生花朵圖案，有時将聲音圖案進行裏外翻轉或放大，從而産生特定的圖案效果。不過費舍爾表示，他更喜歡聲音的原始形狀。本圖所示的聲音由美國加利福尼亞州西南漁業科學中心的研究人員錄制。

5. 小須鲸歌聲


本圖是相同的小須鲸歌聲經過不同的小波轉換産生的可視化效果圖。由于有數百種小波類型可以使用，因此費舍爾選擇了其中最能表達小須鲸歌聲或是最能産生理想的審美效果的一種。

6. 花斑原海豚歌聲


本圖是由一隻花斑原海豚的叫聲所形成的圖案，聲音錄制于北大西洋亞述爾群島海域。這隻花斑原海豚既會發嘀嗒聲，也會發出口哨聲。其中，嘀嗒聲由向外輻射的直線來表達，粗的黑線代表口哨聲。這些聲音音量較低，可能還有來自其他海豚的聲音。點擊下面鏈接可收聽花斑原海豚的歌聲。[音頻]

7. 僞虎鲸歌聲


本圖所示的是僞虎鲸的歌聲，聲音錄制于北大西洋亞述爾群島海域。僞虎鲸的名字前之所以多了一個“僞”，就因爲它們與海豚的關系比與虎鲸的關系更近。它們的歌聲中包含了各種不同的高頻率嘀嗒聲、口哨聲和尖叫聲，這些聲音主要用于回聲定位和相互通訊。在本圖中，可以看到它們是如何同時發出嘀嗒聲和口哨聲的，其中嘀嗒聲是徑向輻線，而口哨聲則是圖片中央模糊的部分。點擊下面鏈接可收聽僞虎鲸所發出的聲音。[音頻]

8. 白吻斑紋海豚嘀嗒聲


本圖表達的是由白吻斑紋海豚所發出的嘀嗒聲。它們發出這種嘀嗒聲主要是用于回聲定位，頻率大約爲15萬赫茲。本圖中的聲音錄音于冰島附近的北大西洋中。點擊下面鏈接可收聽正在進行回聲定位的白吻斑紋海豚所發出的嘀嗒聲。[音頻]

9. 白吻斑紋海豚嘀嗒聲


本圖所表達的聲音與前一圖相同，但費舍爾采用了不同的小波類型進行轉換，并對轉換結果進行再制作，從而形成了圖中美麗的花朵圖案。本圖其實是一種合成圖，“花朵”的每個花瓣分别是由錄音中的不同部分的可視化圖像所形成的。費舍爾把每一聲音片段的圖像層疊，旋轉並改變大小，最終産生了本圖的效果。