Analisi e modellistica dei segnali acustici emessi dal tursiope del Mediterraneo

Introduzione La telematica, in molti settori della ricerca scientifica, è un prezioso e insostituibile fattore di vero progresso per la conoscenza dei fatti e dei fenomeni, e viene perciò convenientemente utilizzata. Un esempio importante è dato dalla bioacustica. Lo studio dell'ambiente e lo sviluppo di strategie di conservazione richiedono sempre più l'integrazione di competenze diverse. L'applicazione dell'informatica e della telematica alla bioacustica, cioè allo studio dei suoni emessi dagli animali, fornisce nuove e determinanti possibilità operative per la conoscenza della presenza, della distribuzione e del comportamento dei mammiferi marini. I primi ad ascoltare i suoni e i rumori sotto la superficie del mare sono stati i militari, per individuare navi e sottomarini dal rumore dei loro propulsori. Ma il mare ha anche una musica più lieta, fatta di voci di animali che comunicano fra loro tessendo complessi motivi, come i canti dei maschi di Megattera (Megaptera novaeangliae), una balena tipica degli Oceani Atlantico e Pacifico, che nella stagione riproduttiva chiamano le femmine con melodiose canzoni che possono essere captate sott'acqua anche a centinaia di chilometri di distanza. La bioacustica consente di rilevare la presenza di animali che non si vedono, perché immersi o lontani, e di conoscerne i comportamenti senza causare loro alcun disturbo. E ciò vale sia per gli animali acquatici sia per quelli terrestri. Con essa si cerca di comprendere come gli animali regolano i propri comportamenti individuali e sociali attraverso messaggi sonori. Gli idrofoni sono i trasduttori acustici che captano i suoni e le vibrazioni trasmesse dall'acqua: sono generalmente omnidirezionali e possono coprire una ampia gamma di frequenze, da pochi Hz a oltre 100 kHz. I segnali da essi captati vengono visualizzati, analizzati in tempo reale e archiviati in apposite fonoteche. Attraverso complesse procedure di elaborazione digitale si cerca di descrivere e rappresentare graficamente le caratteristiche dei segnali per comprenderne la struttura e correlarla alle specie, agli individui, ai comportamenti e alle situazioni osservate. L'analisi spettrografica, realizzata in forma digitale tramite computer equipaggiati con idonei dispositivi di conversione numerica dei segnali analogici, è la più utilizzata: mostra la composizione in frequenza dei segnali in funzione del tempo e si rivela indispensabile per l'analisi dei segnali non stazionari, caratterizzati cioè da rapide modulazioni dello spettro in funzione del tempo, tipici degli animali. I dati risultanti da tutte queste complesse attività vengono inseriti in sistemi Gis (Geographical information system) che non soltanto ne consentono la corretta collocazione geografica e temporale ma che, anche attraverso la loro integrazione delle immagini fornite dai satelliti per telerilevamento, possono rivelare le correlazioni con parametri oceanografici e climatici, al fine di individuare e comprendere le rotte e i periodi di migrazione, nonché la localizzazione delle aree di alimentazione e di riproduzione. Diviene allora indispensabile avere una buona conoscenza di base di alcuni concetti di acustica sottomarina. L’energia acustica, sott’acqua, si propaga in maniera più efficiente di ogni altra forma di energia. Tutte le altre forme di energia (elettromagnetica, termica, ottica) sono significativamente attenuate. PROPAGAZIONE SONORA IN ACQUA Il suono si considera come un disturbo che si propaga in un mezzo, trasportando energia. La propagazione avviene tramite compressione ed espansione del mezzo. L’energia acustica in acqua si propaga tramite vibrazioni molecolari che viaggiano alla velocità del suono. Durante la propagazione, le onde sonore rimbalzano sulla superficie e poi sul fondo del mare. In ogni mezzo fluido, le vibrazioni molecolari seguono la direzione di propagazione, per questo si parla di onde longitudinali. In materiali anaelastici, le vibrazioni acustiche possono manifestarsi in maniera ortogonale alla direzione di propagazione, in tal caso si parla di onde trasverse. Nei mezzi fluidi si possono avere soltanto onde longitudinali perciò ogni onda trasversa che si può creare a seguito di fenomeni di riflessione o scattering su un bersaglio, si trasforma in onda longitudinale dopo il rimbalzo. In mare la velocità del suono è compresa tra 1460 m/s e 1555 m/s. Questa varietà di valori è dovuta a molteplici fattori tra cui: temperatura, salinità e pressione. Perciò la velocità del suono varierà in relazione alla profondità, alla posizione geografica e alle condizioni meteorologiche. E’ importante tener conto delle variazioni di velocità in senso verticale, quelle orizzontali non sono rilevanti. A tale proposito, in figura (1.1), si illustra l’andamento semplificato del profilo verticale della velocità del suono e della temperatura. Nei grafici possiamo individuare tre zone. Nelle vicinanze della superficie (zona 1) c’è uno strato isotermico, epilimnio, creato e mantenuto dal moto ondoso e dal vento. Questo strato si può estendere da 3 a 6 m, la velocità del suono aumenta lentamente con la profondità all’aumentare della pressione. La zona centrale (zona 2) è caratterizzata dal cosiddetto termoclino. Qui, la velocità del suono diminuisce rapidamente con la profondità, al diminuire della temperatura. Tipicamente, questa zona si estende fino a 16 m di profondità. Infine, al di sotto del termoclino (zona 3), la temperatura varia lentamente e la velocità del suono aumenta sensibilmente con la profondità all’aumentare della pressione [1]. In genere le registrazioni in mare aperto si effettuano sotto-costa dove i fondali non arrivano a più di 200 m. LIVELLO DI PRESSIONE SONORA I decibel sono usati per descrivere l’intensità della pressione di un’onda acustica. In particolare sono utili per esprimere variazioni ampie di pressione. La pressione, nel sistema internazionale delle unità di misura (SI) si esprime tramite il Pascal (Pa). La pressione sonora si descrive tramite il livello di pressione sonora, SPL (sound pressure level) che si esprime come: (1.1) dove è la pressione misurata e è la pressione di riferimento, in genere . Quando si effettuano misure vicine alla sorgente è opportuno riportare la distanza di misura. Così facendo, possiamo fare confronti attendibili tra le SPL di sorgenti diverse uniformandoci ad una stessa distanza di riferimento. PERDITA DI TRASMISSIONE La perdita di trasmissione (Trasmission Loss, TL) descrive il decadimento dell’intensità acustica che avviene durante la propagazione. In dB si definisce come: (1.2) dove e corrispondono rispettivamente ai livelli di pressione sonora a 1 m dalla sorgente e alla distanza di interesse. La perdita di trasmissione si può descrivere tramite la somma di due perdite: quella di propagazione e quella di assorbimento. Se ci riferiamo a distanze brevi, non più di qualche centinaia di metri, si parla di perdita per propagazione sferica. In tal caso l’ampiezza del suono diminuisce col quadrato della distanza percorsa. Se invece ci riferiamo a lunghe distanze, oltre le centinaia di metri si ha perdita di propagazione cilindrica e l’ampiezza del suono diviene inversamente proporzionale alla distanza percorsa. La perdita per assorbimento è funzione della frequenza e della temperatura; nel range che va dai 10 kHz ai 200 kHz è principalmente dovuta al rilassamento ionico del solfato di magnesio. Su distanze brevi (meno di 20 m) la perdita per assorbimento non è significativa. RUMORE Il rumore è causato da ogni segnale acustico che interferisce con quello sotto misura. In mare è sempre presente un rumore di fondo che deriva da fenomeni ambientali quali il moto ondoso, l’attività sismica e la pioggia. Altre fonti di rumore sono i vari organismi biologici che popolano il mare. Inoltre abbiamo anche disturbi dovuti al traffico nautico. Tra questi ultimi si hanno: i pescherecci (100 Hz - 25 kHz, Max SPL 140-160 dB), le petroliere (100 Hz - 25 kHz, Max SPL 160-180 dB), i sonar civili e militari (1-150 kHz, Max SPL 180-200 dB) e le comunicazioni sonar (10-150 kHz, Max SPL 200-230 dB). Il rumore fluttua in maniera impredicibile ed occupa una banda molto estesa, dalla continua fino agli ultrasuoni. E’ ovvio che il rumore di misura sarà legato alla banda del sistema di registrazione. Maggiore sarà la banda, maggiore sarà la potenza di rumore misurato. Inoltre il rumore risulta essere un fenomeno aleatorio e quindi necessita un approccio di analisi di tipo statistico. Le sorgenti di rumore prima descritte possono essere modellate come processi non gaussiani, fortemente correlati, in genere non stazionari (eccetto il traffico nautico) e con densità di probabilità con code più o meno lunghe. Un modello molto vicino a quello reale, in base a considerazioni di carattere fisico è quello di Middleton [2] che però risulta difficile da utilizzare. L’approccio migliore sembra essere quello tramite il modello Gaussiano generalizzato [3] che presenta una densità di probabilità (DDP) del primo ordine che ben si adatta ai dati reali e che è più semplice da utilizzare rispetto al modello di Middleton. Il modello Gaussiano generalizzato consente di modellare processi complessi con code più o meno lunghe, perciò è adatto per modellare le sorgenti di rumore sottomarino. La DDP del primo ordine è definita come: (1.3) dove: con i seguenti parametri: valor medio ?, varianza ?2 e fattore di forma c. Per c = 2 la densità è gaussiana, per c = 1 è laplaciana, per c 2 ha code irrilevanti rispetto al caso gaussiano. Se il rumore è dovuto in prevalenza al traffico nautico si usa il modello Gaussian-Gaussian mixture [4]-[7] che è una valida approssimazione del modello di Middleton, classe A