Struktur bioakustischer Signale, Probleme der Schallausbreitung und Aufzeichnung von Tierstimmen

Perspektiven eines bioakustischen Monitorings, Berlin 11.2.2006

Struktur bioakustischer Signale, Probleme der Schallausbreitung und Aufzeichnung von Tierstimmen

Karl-Heinz FrommoltHumboldt-Universität zu Berlin

Museum für Naturkunde


Komponenten eines bioakustisches Monitorings

A BC

Zielarten

Aufzeichnungstechnik

Akustisches Vergleichsmaterial

Algorithmen der Mustererkennung

Informations-infrastrukturen


Fragestellungen

• Was kann überhaupt aufgezeichnet werden ?• Wie groß ist der Aktionsradius ?• Wieviel sollte/kann aufgezeichnet werden ?• Welche Signalverfälschungen und Störungen treten auf ?• Welche Anforderungen an das Signal werden von

Mustererkennung und Lokalisation gestellt ?


Akustische Faktoren

Sender Kanal Empfänger

- Lauterzeugung - Schallausbreitung - Schallaufzeichnung

•Absorption•Reflexion•Beugung•Brechung•Hintergrund•Wind

•Frequenzbereich•Lautstärke•Richtcharakteristik

•Empfindlichkeit•Richtcharakteristik•Schallokalisation


Beispiele von Lautäußerungen

1 2 3 4 5 6Time (sec)

2

4

6

Freq

uenc

y (k

Hz)

1 2 3 4 5 6 7Time (sec)

2

4

6

Freq

uenc

y (k

Hz)

1 2 3 4 5 6Time (sec)

2

4

6

Freq

uenc

y (k

Hz)

1 2 3 4 5 6 7Time (sec)

2

4

6

Freq

uenc

y (k

Hz)

1 2 3 4 5 6 7Time (sec)

2

4

6

Freq

uenc

y (k

Hz)

1 2 3 4 5 6Time (sec)

2

4

6

Freq

uenc

y (k

Hz)

BuchfinkRohrdommel

Feldschwirl Singdrossel

Tüpfelralle Zwergammer


Frequenzbereich

2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24Time (sec)

123456789

1011

Freq

uenc

y (k

Hz)

Ringeltaube

Sumpfmeise SumpfmeiseRotkehlchenSumpfmeise


Lautstärke

Umgebungsgeräusche

Atmen: 10 dB

Flüstern: 20 dB

Unterhaltung: 60 dB

Verkehr zur Hauptverkehrszeit: 80 dB

Mixer: 90 dB

Vorbeifahrender Zug: 100 dB

Kettensäge: 110 dB

Vorbeifliegendes Flugzeug: 120 dB

Schuss aus einer Schrotflinte: 140 dB

Schalldruckpegel biogener Laute in 1 m Entfernung

Haushund - Bellen: 110 dB

Opernsängerin (Sopran): 100 dB

Amsel - Gesang: 80-85 dB (A)

Nachtigall - Gesang: 77–91 dB (A)


Akustischer Hintergrund

Spektren des akustischen Hintergrunds in zwei Nachtigallenterritorien. Dunkle Kurve Median 57 dB(A). Graue Kurve Median 45 dB(A). Aus Brumm 2004.


Richtcharakteristik der Lautgebung

Unterschied des Schalldruckes von Lautäußerungen von Haushunden gemessen vor und hinter dem Tier (aus: Frommolt & Gebler, 2004)

0.00

2.00

4.00

6.00

8.00

10.00

12.00

14.00

16.00

18.00

0.00 500.00 1000.00 1500.00 2000.00 2500.00 3000.00

Frequency (Hz)

Diff

eren

ce in

SPL

(dB

)

ThorstenAmali


Schallausbreitung(punktförmige Schallquelle im freien Feld)

Schall breitet sich gleichmässig in alle

Richtungen aus

p ∼ 1/r

Verdopplung der Distanz:

L = 20 lg (2p/p0) [dB]L = 20 lg 2+20 lg (p/p0) L = 20 * 0.301

+20 lg (p/p0)L = 6.02+ 20 lg (p/p0)


Absorption

Bei der Schallausbreitung in Luft wird Schallenergie in Wärme umgewandelt. Die dadurch bedingte Schallpegelabnahme ist von Temperatur und Feuchte der Luft und sehr stark von der Frequenz abhängig. Diese Abnahme ist der Länge des Schallweges linear proportional.

Sutherland & Daigle 1998


Einfluss der Luftfeuchtigkeit auf die Schallausbreitung

Luftfeuchtigkeit

Däm

pfun

g


Reflexionen

Wenn eine Schallwelle auf eine große, harte Oberfläche trifft, tritt eine Schallreflexion auf: Der Schall wird von der Oberfläche wie Licht von einem Spiegel reflektiert.


Brechung


Schallausbreitung in Waldhabitaten


Schallausbreitung über Gewässern


Schallausbreitung am Boden (1)

Treffen direkte und reflektierte Schallwelle mit einem zeitlichen Unterschied entsprechend der Laufzeit von ½, 1 ½, 2 ½ ... der Wellenlänge ein, so werden die entsprechenden Frequenzen abgeschwächt.


Schallausbreitung am Boden (2)

Bradbury & Vehrencamp (1998)Embleton (1996)


Schallausbreitung im offenen Gelände


Schallübertragung im offenen HabitatSignal – Weisses Rauschen, Aufzeichnung mit omnidirektionalem Messmikrofon

1 0 0 0 2 0 0 0 3 0 0 0 4 0 0 0 5 0 0 0 6 0 0 0 7 0 0 0 8 0 0 0 9 0 0 0 1 0 0 0 0-9 0

-8 0

-7 0

-6 0

-5 0

-4 0

-3 0

-2 0

-1 0

Rel

ativ

er S

chal

ldru

ckpe

gel (

dB)

S c h a llü b e rtra g u n g ü b e r G ra s la n d in 1 m H ö h e

1 m F re ife ld1 2 m2 4 m4 8 m9 6 m

Frequenz (Hz)


Schallübertragung im offenen HabitatEntfernung 480 m, Aufzeichnung mit Hundekunstkopf

2 4 6 8Time (sec)

2

4

6

8

10

Freq

uenc

y (k

Hz)

2 4 6 8Time (sec)

2

4

6

8

10

Freq

uenc

y (k

Hz)

2 4 6 8Time (sec)

2

4

6

8

10

Freq

uenc

y (k

Hz)

Testsignal, ca. 95 dB auf 1 m Entfernung

Lautsprecher und Kunstkopf auf 1 m Höhe

Lautsprecher und Kunstkopf auf 50 cm Höhe


Erfassung des Artenspektrum – Pilotstudie am Bogensee

Anliegen: Machbarkeitsstudie für ein bioakustisches Monitoring

Lageskizze Bogensee


Datenerfassung Bogensee 10.05.2003


Schalltrichter

Übertragungsfunktion eines Elektret-Mikrofons, das in einem Trichter montiert ist


Automatisches Triggern von Tonaufzeichnungen

Das Programm AROMA wurde speziell zur akustischen Registrierung von Vögeln im Offshore-Bereich entwickelt. Das Programm erkennt Vogelrufe automatisch anhand der Peaks in ihremLeistungsspektrum, wohingegen Wind- und Regengeräusche weitestgehend unbeachtet bleiben. Die erkannten Rufe werden automatisch als Wave-Dateien abgespeichert

O. Hüppop, Vogelwarte Helgoland

AROMAAvisoft-Recorder

Das Programm Avisoft-Recorder (© Raimund Specht) wurde für Belange des HD-Recordings von Tierstimmen entwickelt. Es erlaubt eine mehrkanalige Aufzeichnung und Triggerung.


Akustisches Monitoring - Einpunktsystem

omnidirektionales Referenzmikrofon

Richtmikrofon-Array

PC mit Mehrkanal-Messkarte und Erkennungs-software

Feuerwachturm

(a)

(b)(c)

Funktionsprinzip

Über Laufzeit- und Pegelunterschiede an den Richtmikrofonen wird die Richtung der Schallquelle bestimmt

Das Referenzmikrofon dient zur Unterstützung der Entfernungsabschätzung auf der Grundlage von Laufzeitunterschieden zu den Richtmikrofonen

(a),( b), (c) – Schallwege vom Tier zumMikrofon

Akustisches Monitoring von einem stationären Punkt ausomnidirektionales Referenzmikrofon

Richtmikrofon-Array

PC mit Mehrkanal-Messkarte und Erkennungs-software

Feuerwachturm

(a)

(b)(c)

Funktionsprinzip

Über Laufzeit- und Pegelunterschiede an den Richtmikrofonen wird die Richtung der Schallquelle bestimmt

Das Referenzmikrofon dient zur Unterstützung der Entfernungsabschätzung auf der Grundlage von Laufzeitunterschieden zu den Richtmikrofonen

(a),( b), (c) – Schallwege vom Tier zumMikrofon

Akustisches Monitoring von einem stationären Punkt aus


Akustisches Wolfsmonitoring


System zur mehrkanaligen Erfassung


Sechskanal-Aufzeichnung

Time (sec)5

2

4

6

Freq

uenc

y (k

Hz)

Time (sec)5

2

4

6

Freq

uenc

y (k

Hz)

Time (sec)5

2

4

6

Freq

uenc

y (k

Hz)

Time (sec)5

2

4

6

Freq

uenc

y (k

Hz)Time (sec)

5

2

4

6

Freq

uenc

y (k

Hz)

Time (sec)5

2

4

6

Freq

uenc

y (k

Hz)

Mönchsgrasmücke

NachtigallZaunkönig

Nachtigall


Akustisches Monitoringmittels Linien-Array

Mikrofon-array

Mehrkanalrekorder

A B

C

Mik 1 Mik 2 Mik 3 Mik 4

Entfernung von Frosch A zuMikrofon 1 und Mikrofon 4

Entfernung von Frosch C zuMikrofon 1 und Mikrofon 4

Funktionsprinzip:Am Gewässerrand werden auf einer Linie mehrere Mikrofone aufgestellt. Die Rufe werden simultan mit einem Mehrkanalrekorder aufgezeichnet. Die unterschiedlichen Entfernungen der Mikrofone zu den Tieren führen zu Laufzeitunterschieden der akustischen Signale. Die Auswertung der Laufzeitunterschiede soll dann Auskunft über Anzahl und Position rufender Tiere geben


Akustische Ortung

Grünfrosch Blessralle Bachstelze


Vorzüge eines bioakustischen Monitorings

• Minimierung des subjektiven Faktors. Das Ergebnis ist unabhängig von Gehör und Stimmenkenntnissen des Erfassers.

• Langzeiterfassung in Abwesenheit eines Beobachters. Daher eignet sich das Verfahren zur Erfassung selten oder zu ungünstigen Zeiten (nachts) rufender Arten. Desweiteren ist die Methode insbesondere dort zu empfehlen, wo Störungen der Brutvögel während der Erfassung so minimal wie möglich gehalten werden sollen.

• Einsatz in schwer zugänglichen Gebieten (z.B. in Röhrichtbeständen) bzw. in Gebieten, die sonst nicht von Ornithologen abgedeckt werden könne.

• Verifizierbarkeit der Daten. Im Zweifelsfall besteht die Möglichkeit, die Daten auch noch nach Jahren zu überprüfen, da hier die „rohen“ Beobachtungsdaten und nicht die bereits gewichtete Information des geschulten Ornithologen gespeichert werden.

• Nach Entwicklung von Erkennungsalgorithmen können bestimmte Aufgaben zumindest halbautomatisiert durchgeführt werden. Für Monitoringaufgabenkönnen dann auch Personen mit weniger guten Stimmkenntnissen herangezogen werden.


Nächste Schritte (zur Diskussion)

• Klärung von Anwendungsszenarien– Günstigste Bedingungen in offenen Landschaften oder an Gewässern, die

nicht unmittelbar an Autobahnen oder stark befahrenen Bundesbahnen liegen

– Gute Chancen zur Erfassung nachtaktiver Tiere• Test unter praxisrelevanten Aspekten

– Inventarisierung von Störgrößen, u.a. auch kontiniuerliche Erfassung des Hintergrundpegels

• Vergleich mit anderen Methoden– Parallele Erfassung mit Punkt-Stopp-Zählung und/oder Linienkartierung

• Entwicklung von Soft- und Hardware– Mustererkennung, Lokalisationsalgorithmen– Robuste preiswerte HD-Recorder mit Mikrofonverstärkern und

Triggersoftware


Danke für IhreAufmersamkeit

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