深度迷恋：鲸鱼之歌的可视化奇景
利维坦按：古人看地图，其实就有些类似今天人们的观鲸之旅，因为早期的地图里面，充斥着各种海怪。比如下面这张著名的“卡塔·玛瑞娜”（Carta Marina，拉丁文，意为“海洋地图”）古地图：
出自瑞典地理学家兼历史学家奥拉斯·马格努斯（1490-1557）之手，是最早精确描绘斯堪的纳维亚半岛的地图之一。高清版本这里可下：
www.wired.com/images_blogs/wiredscience/2015/09/seamonsters-map1.jpg
我特别喜欢其中的两只海兽——头顶都有两个气孔，和现实中的鲸鱼比较接近（一般齿鲸只有一个喷气孔，而须鲸则拥有两个呈V字排列的喷气孔）：
今天文章说的不是古老的海怪，而是现实中的鲸歌（可视化的艺术）。齿鲸不会发出通常那样长而低频的鲸语声，它们产生的声音是高频快速的嘀达声或啸叫声。单个的“嘀达”声是用来进行回声定位的，而口哨声则是用来进行沟通。还有很多海豚都会发出不同的啸叫，只是目前人类只了解其中很少声音的意义。
特别值得一提是座头鲸的歌声，复杂而具有层次：
理想化的座头鲸歌声示意图
译/ac-action
校对/danzig
原文/www.newscientist.com
在我们耳中，鲸和海豚的叫声如同仙乐般美妙。声学工程师马克·菲舍尔更进一步地将这些美妙的声音转换成可见的视觉图像。较之以往的鲸鸣视觉化方法，他的作品捕捉到了海洋之声的更多细节。
座头鲸的叫声
这是菲舍尔将一头座头鲸交配时的低频啸叫和喊叫声转化成的声图，声音的时间轴沿逆时针弯曲成环形。
这段声音信号录制于夏威夷。
小须鲸叫声的声谱图
为了分辨生物种类，海洋生物学家通常会用绘制声谱的方法将动物叫声可视化。这幅图是将小须鲸的喊叫声频率沿时间轴绘制而成的。原始的声音信号通过数学方法中的傅立叶变换（注：一种线性的积分变换，常在将信号在时域或空域和频域之间变换时使用，在物理学和工程学中有许多应用）分解成正弦波成分。
傅立叶变换适用于连续的周期噪声的分析，但是鲸和海豚的声音在音调，音量和长短上都有所变化。尤其是在对某种物种的声音片段进行转换时，傅立叶变换的效果不甚理想。就像你在这张小须鲸“啵嘤”声的线性声谱中看到的那样，细节信息被模糊掉了，独立的脉冲也很难分辨出来。
小须鲸叫声的小波变换
菲舍尔更喜欢一种比较不常用的数学方法——小波变换，这种方法可以将声音分解成比较短的离散的小波成分。
同样是小须鲸“啵嘤”声转换成的图像，这幅图相较于之前以傅立叶变换为基础转化的图形来说，更好的捕捉了鲸类的声音特征：脉冲，也就是图中绿色的“小水滴”，非常明显。
“傅立叶变换方法太常用了，以致于人们在考虑如何处理声音信号时，这几乎成了唯一的方法。对鲸类来说，声音还可以转化成很多声谱图无法展现的形式，”菲舍尔说。
小须鲸的叫声
菲舍尔在旧金山开设了一家公司Aguasonic Acoustics（aguasonic.com） ，专门销售这些迷人的声图。
这是用上幅图中同样的声音信号形成的线性图像，不同的是图像围成了一个环形。
菲舍尔有时会在图像的外观上玩些花样：比如将声音信号叠加起来，形成一朵花的形状，或者将声图内外颠倒或者是放大其中某一个特征，但他表示在大多数情况下，他更乐于保持声图的原貌。
这幅图没有经过任何的艺术加工，是根据加州拉霍亚的西南渔业科学中心录制的声音信号生成的。
小须鲸的叫声
这是用上幅图中同样的声音信号经过另外一种形式的小波变换而形成的声图。
小波的形式有上百种， 菲舍尔从中选择最能够表现声音信号特征或者最让人赏心悦目的一种。
大西洋斑原海豚的叫声
这是亚述尔群岛附近录制的一只大西洋斑原海豚的声图。
其中包含了“喀呖”声和鸣叫声。“喀呖”声对应图中的向外放射的直线，鸣叫声对应粗略的黑线。啭鸣哨声在音量上稍微弱一些，所以有可能是来自于其他海豚。
伪虎鲸的叫声
这是亚述尔群岛海上赏鲸活动中录制的伪虎鲸的声音。尽管名字里有“虎鲸”两个字，但是这种生物更接近于海豚而非虎鲸。
它们的声音中包含了丰富的高频“喀呖”声，鸣叫声和喊叫声，用来进行回声定位和沟通信息。
这幅图中，你可以看到他们是如何同时发出“喀呖”声和鸣叫声的。“喀呖”声沿径向辐射，而鸣叫声是图中间模糊的一团。
白喙斑纹海豚的叫声
这幅声图展示了某些生物发出“喀呖”声的精确性。这是一只白喙斑纹海豚发出的用于回声定位的信号，“喀呖”声的频率在15万赫兹左右。
声音信号录制于冰岛附近的南大西洋地区。
白喙斑纹海豚的叫声
这是上幅图中同样的声音信号形成的声图，但是菲舍尔用了另外一种不同形式的小波进行变换，而且在声图上玩了一些花样，得到了这种花朵锦簇的效果。
他称之为“艺术能够达到的极致”。
他将声音片段一层层叠起来，旋转并且改变其尺度。最后得到的这张复合图像中，花朵的每一轮都代表声音信号中一个不同部分。
下面还有更多这些海洋生物精美绝伦的听觉可视化影像：
座头鲸的叫声
灰海豚的叫声
蓝鲸的叫声
虎鲸的叫声
座头鲸的叫声
伪虎鲸的叫声
白喙斑纹海豚的叫声
大西洋斑原海豚的叫声
小须鲸的叫声
大西洋斑原海豚的叫声
座头鲸的叫声
小须鲸的叫声
最后，通过视频来感受一下来自海洋生物的声音吧：
https://v.qq.com/txp/iframe/player.html?vid=k0179aia7ki&width=500&height=375&auto=0
（建议Wi-fi环境下浏览）
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“利维坦”（微信号liweitan2014），神经基础研究、脑科学、诗歌、小说、哲学……乱七八糟的什么都有。反清新，反心灵鸡汤，反一般二逼文艺，反基础，反本质。
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