Multi-Channel Acquisition and Visualization of the Dolphin Echolocation Beam – Instrumentation Design and Bioacoustic Results

Abstract

Toothed whales (Odontocetes) use echolocation to navigate and find food in dark or murky waters. A wide range of innovative studies has since the 1960:s been used to characterize their echolocation beam and map out their echolocation skills.

In order to render high quality recordings of the sounds emitted by these animals, advanced measurement systems are required. There are still interesting envisioned studies, which so far have been impossible to conduct, due to the technological complexity of the required measurement systems. However, the recent development of computer based data acquisition technology has opened up new possibilities for the field of marine bioacoustics.

This doctoral dissertation describes the design of a multi-channel measurement system enabling visualization and analysis of the cross section of the dolphin echolocation beam, and describes the bioacoustic results obtained from such measurements. The methods and results included in this dissertation span over several disciplines of science such as acoustics, data acquisition technology, hardware design, software design, signal processing, biology and dolphin cognition.

The measurement system design allows for recordings of the echolocation beam cross section at 47 points simultaneously with a sample rate of 1 MS/s. The employed burst mode sampling technique enables longer recording sessions than previously described systems and also makes run-time visualization of the echolocation activity of dolphins possible, even in highly reverberant surroundings. The system can also be set up as an acoustically operated touch screen, controlled by the dolphin’s echolocation beam.

It is suggested that the presented run-time as well as post-processing data visualization modes offer the generally visually orientated human a better opportunity to grasp the dynamics of the echolocation beam than before, when echolocation recordings have been made with just a few (1-7) hydrophones.

Measurements of the beam cross section show that the beam is dynamic and at times can have a single dominant peak, while at other times have two forward projected primary and secondary peaks, spatially separated and each with different frequency contents and frequency bandwidths. It is hypothesized that the acoustic “pressure valley” in between these two peaks can be capitalized on to optimize pray localization, a hypothesis congruent with the echolocation strategy previously observed in Egyptian fruit bats.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

Delfiner och andra tandvalar har förmågan att ekolokalisera. Trots att dessa djur länge fascinerat människor genom historien var det först på 1950-talet som man lyckades bevisa att de faktiskt har denna förmåga. Det finns fortfarande många fundamentala frågor angående deras ekolokalisering som ännu inte besvarats, till stor del för att det har krävt alltför avancerad teknisk utrustning. Den här avhandlingen beskriver utvecklingen av ett nytt mätsystem som gör det möjligt att visualisera och analysera delfinernas ljudstråle över hela strålens tvärsnitt, samt vad vi har lärt oss om delfiners ekolokalisering genom sådana mätningar.

Ekolokalisering baseras på den s.k. puls-eko principen. Djuret skickar ut en kort ljudpuls som kallas för “klick”. Merparten av detta ljud är ohörbart för människor då den huvudsakliga energin ligger högre i frekvens än vad det mänskliga örat kan höra (>20 kHz), dvs. i ultraljudsområdet. Delfinerna lyssnar på ekot som kommer tillbaka när klicket reflekterats på föremål i omgivningen. Ljudet sprids bara i en smal strålkon, ca 10 grader vid, och är i allmänhet riktat rakt framåt längs nosens riktning.

Tiden det tar för ljudet att komma tillbaka till delfinen är ett mått på hur långt borta föremålet som reflekterade ljudet är. På detta sätt kan den utan att använda synen scanna av områden med ljudet och få en uppfattning om hur den omgivande topografin ser ut. Den hittar även fisk på detta sätt. Detta är en mycket viktig förmåga hos dessa djur då de måste kunna navigera och jaga föda även under natten och i grumliga vatten där sikten är dålig. Liknande typ av ljud antas även användas i sociala sammanhang.

Människan använder sig av en liknande puls-eko-princip när vi letar efter fiskstim, fientliga u-båtar, undersöker ännu ofödda barn i moderns mage, letar sprickor i betongkonstruktioner o.s.v. Trots all denna tekniska utveckling har vi fortfarande inte full inblick i hur delfinerna kan lösa så svåra ekolokaliseringsuppgifter som de faktiskt kan. Till exempel har vissa grupper av delfiner lärt sig att hitta fisk som grävt sig en halvmeter ner i sandbottnen. Hur de gör för att hitta dem är ännu en gåta för oss. Vi har alltså fortfarande mycket att lära av naturen för att göra våra egna ultraljudsmetoder bättre. Vi behöver även lära oss mer om dessa djur för att kunna skydda dem bättre mot miljöförstöring och störningar från exempelvis havsbaserade industrier och turism.

Det första mätsystemet som beskrivs i denna avhandling kan mäta ljudets maxintensitet i 16 punkter över strålens tvärsnitt. Genom att projicera upp mätdatan översatt till en ljusintensitetsgraf, över samma yta som vi mäter ljudet, blir det lättare för oss visuellt orienterade människor att i realtid förstå vad som händer i den akustiska domänen. Vi visar även att delfinerna kan lära sig att använda mätsystemet som en pekskärm styrd av ljudstrålen istället för via fysisk beröring.

Det andra mätsystemet som beskrivs är en vidareutveckling av det första systemet, fast baserat på en helt annan plattform. Detta system klarar av att mäta upp många fler parametrar av ljudstrålen i 47 punkter. Systemet designades även så att det i teorin skulle kunna utökas till att klara av att mäta i hur många punkter som helst, genom att koppla ihop många likadana enheter med varandra.

Under mätningar på fritt simmande delfiner i grupp uppstod behovet att kunna separera överlappande klicktåg från olika delfiner för att kunna analysera dessa på individnivå. Med anledning av detta utvecklades en signalbehandlingsalgoritm som jämför klickarnas frekvensinnehåll och matchar dessa till varandra. De klickar vars frekvensinnehåll har mycket gemensamt med varandra sorteras in i egna kataloger. På så sätt kan man efteråt analysera varje katalog som då bara innehåller klickar från ett och samma klicktåg och därmed en och samma individ.

Slutligen har ett annat mätsystem med 29 kanaler använts för att mäta om delfiner har förmågan att ändra riktning på sin ljudstråle utan att vrida huvudet. Min uppgift var att signalbehandla och analysera datan från detta experiment, utfört av forskare från San Diego, USA. De slutsatser man kan dra av mätningarna är att den testade delfinen kan vrida ljudstrålen mer än 28 grader, både till höger och till vänster, utan att vrida huvudet. En maxgräns gick inte att mäta upp eftersom delfinen vred stålen mer än vad mätsystemet täckte in. Mätningarna visade även att strålens tvärsnittsprofil har två lokala intensitetsmaxima, enbart delvis överlappande i rum och frekvens. Strålen är alltså sammansatt av två delar med olika frekvensinnehåll. Hur dessa två stråldelar bildas är fortfarande oklart. Andra forskare har visat att fladdermöss inte riktar sin starkaste del av strålen på föremålen de undersöker, utan istället den yttre delen av strålen som avtar snabbast i ljudstyrka. Detta ger högre precision vid positionering av föremål. Möjligen är detta något som även delfinerna utnyttjar genom att rikta de två maxpunkternas snabbast avtagande delar på vardera sidan av föremålet för att på så sätt omringa föremålet med ljud. Flyttar föremålet sig då ut ur området mellan strålarna skulle det kasta tillbaka ett extra starkt eko så att delfinen kan höra åt vilket håll föremålet är på väg relativt stålarna. Fler experiment behövs för att undersöka om denna hypotes stämmer. Att delfiner har mer än ett intensitetsmaxima inom ekolodsstrålen är en spännande upptäckt som kommer att undersökas mycket mer i framtiden.

• author: Starkhammar, Josefin
• supervisor: Hans W Persson; Monica Almqvist; Mats Amundin
• opponent: Dr Johnson, Marc, Woods Hole Oceanographic Institution, Woods Hole, USA
• organization: Department of Biomedical Engineering
• publishing date: 2011
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Medical Engineering
• pages: 134 pages
• defense location: Lecture hall E:1406, E-building, Ole Römers Väg 3, Lund University Faculty of Engineering
• defense date: 2011-05-20 10:15:00
• ISBN: 978-91-7473-114-9
• language: English
• LU publication?: yes
• id: ba2690f3-c784-4339-bf69-fbb7a76aff15 (old id 1897933)
• date added to LUP: 2016-04-04 09:35:30
• date last changed: 2023-04-28 14:02:51