面向定量水下声景观监测的低成本HydroMoth记录仪：校准框架与威尼斯潟湖应用

《Marine Pollution Bulletin》：Toward quantitative soundscape monitoring with low-cost recorders: application to the Venice Lagoon

　　

低成本记录仪拓展了水下噪声污染的空间监测；实用校准使半定量声学测量成为可能；船舶交通主导潟湖声景观变异性；传感器变异性制约绝对声压级（SPL）估计；该方法支持大规模、成本有效的环境监测。

一、研究背景与研究概述

沿海和海洋环境中的人为活动持续增强，水下噪声污染已成为广泛且增长中的胁迫因子，来源包括港口作业、海上平台等连续工业源，以及航运、打桩、地震勘探等间歇源。浅水潟湖的声传播条件高度可变，生物声与人为声在频带内重叠，可能干扰通信、捕食—被捕食关系、定向和幼体沉降等生态过程。威尼斯潟湖浅水、地形非均质、软沉积物、潮汐动力强且航运密集，是此类环境的典型代表；既有研究已记录船舶交通对水下噪声的显著贡献，因而需要空间分辨、可业务化运行的声景观（soundscape，指环境中自然与人为声源共同形成的声学环境）监测策略。高质量观测通常依赖校准水听器与专用记录系统，测量链灵敏度与频率响应可溯源至国际标准，能提供定量声压级（SPL，sound pressure level，以dB re μPa计）测量，但成本高、后勤受限，难以形成密集空间覆盖。低成本HydroMoth（Open Acoustic Devices, UK）等自主记录仪便于构建密集网络，却存在MEMS（micro-electro-mechanical systems，微机电系统）麦克风方向相关灵敏度、频率响应非均匀、非出厂校准等问题，需通过校准将原始电压信号转换为物理声压级。由此，研究人员评估HydroMoth能否在浅水潟湖中作为定量声景观测量工具：在威尼斯潟湖5个站点联合部署1台参考校准Sylence LP（RTSYS, France）与3台HydroMoth，建立简化现场校准框架，并以SPL表达HydroMoth记录、评估其相对于参考系统的一致性；同时分析昼夜、站点和传感器间的总SPL与频谱差异，重点关注预期主导50–1000 Hz声环境的船舶交通，并检查风速、降水、潮位等环境驱动因素。研究结论表明，HydroMoth可稳定捕获船只通过等声学事件并保留主要频谱—时间特征，但绝对SPL估计受传感器与部署变异制约；其意义在于以较低成本提高空间覆盖，支撑大尺度水下噪声污染评估与环境管理。

二、关键技术方法概述（≤250字）

2025年5–9月，在威尼斯潟湖5站（San Servolo、Sant'Erasmo、Lido、Burano、Bocca di Porto）各进行24 h部署；同绳间隔50 cm放置1台参考校准Sylence LP（RTSYS, France）与3台HydroMoth（Open Acoustic Devices, UK），5 min录/5 s睡。校准源于San Servolo码头同址布放及小艇通过声：时间戳配对（≤3 s）、多相重采样、互相关估时滞（±30 s）、8 s窗50%重叠归一化互相关（NCC，normalized cross-correlation；NCC>0.75）筛选、Welch功率谱密度（PSD，power spectral density）比求频率依赖校准因子（CF，calibration factor）并以截尾均值聚合；校准频带10–16,000 Hz，定量限10–4000 Hz。气象水文来自ARPA Veneto。

三、研究结果

4.1 天气数据（Weather data）：通过将各站点声学记录与ARPA Veneto气象水文时间序列同步分析，研究人员发现各站点存在较一致的昼夜模式。白天平均风速多为2.3–2.7 m s^?1，夜间系统性较弱（2.02–2.28 m s^?1）；SITE 5风更强，白天与夜间分别约4.52±2.73与4.45±2.69 m s^?1，最大风速出现在白天，SITE 5达9.38 m s^?1。降水总体可忽略，仅SITE 1与SITE 2有少量白天降雨；SITE 4白天累计15 mm、夜间6 mm。潮位呈明显日变化，白天平均较高（0.4–0.5 m a.s.l.，above sea level），夜间较低（0.05–0.3 m a.s.l.）；SITE 3夜间潮差最大（σ=0.31 m，范围?0.3至0.76 m）。据此认为，气象水文条件存在站点与昼夜差异，可用于解释声学变异，并确认记录未被极端事件主导。

4.2 频域数据分析（Frequency-domain data analysis）：通过校准后PSD与频谱密度级分析，研究人员在低频10–600 Hz发现各仪器频谱形态总体一致，均检出最大值且量级范围可比；HydroMoth在>4 kHz系统偏高，主要归因于仪器噪声及持续水平噪声带。多数站点白天频谱高于夜间，差异约3–10 dB；例如SITE 1约由75 dB降至60 dB，SITE 5由86 dB降至80 dB；SITE 3为例外，夜间略高于白天（92 dB对89 dB），提示夜间低频活动增强。站点间差异明显：SITE 3与SITE 2总体最高（分别达92 dB与88 dB），SITE 1夜间最低（65 dB），SITE 5动态范围最大（达44 dB）。设备差异在低频一般小于空间差异，但HydroMoth在>1 kHz变异更大；HydroMoth #4983平均与最大频谱水平最高（达109 dB re μPa²/Hz），Sylence LP最大值为85–98 dB re μPa²/Hz。结论是低频人为源尤其是船舶交通主导声景观，校准后可用于跨传感器比较，但高频定量解释受限。

4.3 时域数据分析（Time-domain data analysis）：通过按站点、传感器和昼夜分组计算每文件RMS（root mean square，均方根）幅度分布，研究人员得到全数据集最小RMS为92–108 dB re μPa、最大为120–152 dB re μPa。HydroMoth白天中位RMS约108–130 dB re μPa、夜间约102–126 dB re μPa；白天最大达140 dB re μPa，夜间最大多在120–140 dB re μPa。Sylence LP较均匀，中位约108–115 dB re μPa，白天最大152 dB re μPa、夜间125 dB re μPa。SITE 5总体声级最高且传感器间差异明显，如HydroMoth #4983白天与夜间均值分别为133与126 dB re μPa；SITE 1最安静。对独立站点数据的定性验证显示，校准后HydroMoth可再现参考水听器中船只事件的频率与时间演变，同时暴露MEMS持续水平噪声带，说明其适合事件检测与半定量比较，而绝对SPL仍不确定。

四、讨论总结

讨论认为，尽管HydroMoth存在明显高频自噪声与频率响应非均匀、基线灵敏度受限，但在适当现场校准后能提供一致、可解释的声学信息，可稳定检测船只通过等事件并保留主要频谱—时间结构。其核心优势是成本低、可扩展、布设灵活，适合浅水潟湖等复杂环境中的密集空间监测和探索性、比较性研究；但长期、绝对声压定量仍不可靠，尤其在高频，需依赖自动检测与分类算法处理大数据。局限性包括：MEMS记录仪信噪比低于专业水听器，频率响应在约15 kHz以上偏差和自噪声增加；集成模拟前置放大设计限制动态范围管理；校准后传感器间幅度变异仍存，>1 kHz尤甚；HydroMoth因非对称设计与麦克风位置具方向依赖性，而现场朝向未被系统记录且设备可随水流旋转；浅水、软泥底质、强水动力及倾斜、海底耦合等布设条件会放大差异；参考水听器与HydroMoth相距约0.50 m，在4 kHz时水中波长约0.37 m，可能并非采样完全同一声场；风、潮位、降水等环境变异与季节偏差影响解释；未进行实验室级严格计量校准，CF为设备特异且不可直接转移，定量解释限定于10–4000 Hz。尽管有这些限制，校准数据仍支持对声环境作初步描述：RMS约92–152 dB re μPa，空间与时间变异显著，SITE 5声级最高且动态范围最大，SITE 1较低且较稳定；主导能量集中于50–600 Hz，符合船舶推进与发动机噪声特征，昼夜频谱差约3–10 dB。未来应优化布设朝向、采用多传感器阵列、发展标准化且可及的校准流程，以降低不确定性和技术与资金门槛。

五、研究结论翻译

本研究结合参考校准与低成本声学传感器，对威尼斯潟湖水下声景观进行了初步定量评估。在此背景下，水下噪声与人为活动密切相关，可被视为一种显著且具空间变异性的海洋污染形式。关键结果是，HydroMoth记录仪始终捕获到参考水听器观测到的相同声学事件，如船只通过，并保持可比的频谱与时间特征。尽管严格的实验室级校准对精确计量研究仍不可或缺，这表明低成本传感器尽管简单，仍能提供可靠信息并支持主导声源识别。结果显示出一致的昼夜变异，通常白天声学活动更高，并显示站点间明显空间异质性，Bocca di Porto为声学上最具动态的区域。然而，必须承认若干局限：尽管进行了校准，传感器和站点间幅度仍存在显著变异，尤其在>1 kHz；所提流程适用于10–4000 Hz内船舶交通主导的声景观，更高频率的解释应视为定性。这表明声压级定量估计仍不确定，且不仅受传感器性能影响，也受布设条件影响；尤其是最初被认为可忽略的MEMS基HydroMoth麦克风方向响应，可能促成观测差异，凸显在浅水动态环境中改进安装策略的必要性。未来应聚焦优化部署配置（如传感器朝向或多传感器阵列以降低方向效应），并实施标准化校准程序（由制造商或可及的用户级协议完成）。此类进展将显著降低当前不确定性，并降低定量水下声学测量的资金与技术门槛。通过降低声学数据采集的资金与后勤障碍，低成本传感器可促进对自然和人为水下声的更可及、空间更广监测。在此视角下，这些传感器与新兴分析方法（如自动处理和机器学习）的整合，有潜力将被动声学监测从细分工具转变为支持沿海系统环境评估、管理策略和未来政策制定的广泛可及工具。