Matlab校园灰喜鹊鸣叫声的采集与分析(3)
1.4 本课题进行的主要工作
课题本意是以校园常见的灰喜鹊声音为例，探究鸟类鸣叫声的时频特性，为以后能够解决在野外状态下采集、分析和识别鸟类的技术的长远目标做准备。我们使用南理工自制的四通道麦克风阵列在校园内采集灰喜鹊鸣叫，但是没有采集到完整的便于分析的灰喜鹊鸣叫声，因此我们选择对从网上下载的一段高品质灰喜鹊叫声信号进行分析。用Cool Edit，Matlab等辅助软件，对在南理工校园内外采集得到的灰喜鹊的鸣叫信号进行切割和分类，总结它们的时频特征，分析总结鸣叫声在时域和频域的统计特性，探究它的周期性和谐频性。使用TKK Aparat软件分解包分解鸣声信号，进一步分析研究鸟类发声原理。在第一章中我们简单介绍了灰喜鹊以及鸟类鸣叫声的研究背景和研究现状。紧跟其后我们在第二章介绍了鸟类发声的基本原理。第三章我们简述了鸟类鸣叫声信号的研究过程，即从信号采集、信号预处理到信号的时频方法。对灰喜鹊鸣叫声的具体特征分析以及鸟类鸣叫声模型的探究在第四章中完成。
2 鸟类发声原理
2.1 发声器官
鸟类的发声需要由很多器官共同协调完成。其中，鸣管是鸟类发声的最重要器官，它位于气管和支气管相交处，是由众多扩大的软骨环以及其间的薄膜组成，这些薄膜被称为鸣膜。鸟类产生鸣叫声首先要让空气经由气管快速冲出，产生气流使鸣膜发生振动发出声音。鸟类气管两侧的肌肉称为鸣肌，鸟类可以利用它改变其鸣叫声。鸣肌的数目和作用因鸟的种类不同而不同，它可以用以调节鸣管的伸缩，进一步控制鸣管的空气流量以及鸣膜的紧张度。非鸣禽的鸣管构造十分简单，因此基本上没有叫声，例如鸵鸟、家鸡等；鸣禽和非鸣禽鸣管构造有所不同，它们用四、五对鸣肌来调节鸣膜的紧张度，改变鸟鸣声的频率，因而听起来婉转动听，例如画眉、百灵、黄鹂、相思鸟等；鹤类的鸣叫声非常响亮，这是因为它们的鸣管较长，而且呈现回旋扭转的的形状，类似于萨克斯的共鸣管的原理，因此鹤类的鸣叫声能够传播得较远。除此之外，鸟类的喉、舌、气管和喙等器官也是鸟类发声的重要部分，它们共同构成了鸟类的声道。鸟类发声的大致流程为：气流由鸟类的肺中产生，穿过支气管后到达鸣管，接着在鸣管中转化成鸣声，然后要经过声道传至体外[10]。另外，研究发现气囊也参与了鸟鸣产生的过程。
2.2 发声过程
大部分鸟类发声的原理如下：首先，鸣禽通过压缩肺部，使气流以一定速度通过喉，气流量是由鸣肌控制的。其次，由于气流的快速冲出，使得声带按照一定的频率张合，从而产生了频率固定的声门波。然后，由声道对声门波调制，产生带有不同共振峰特点的谐波组。最终，声波经过口的辐射传至体外，进入介质（空气），形成鸣叫声。
2.3 鸟类发声的特性调控
2.3.1 时间调制
静息过程、启动过程和终止过程是鸣管时间调制的三个不同阶段。并不是所有鸟类的时间调制都相同，这主要根据各自鸣声特点有所变化。在静息阶段，鸣管阀打开，呼出的气流在低阻抗下通过；在启动阶段，随着呼吸肌的运动，气管和鸣肌相互牵扯，使得气流通过鸣管是产生了鸟鸣声；而在终止期，唇瓣内收，鸣管阀关闭，使得气流无法通过鸣管，从而不能发出声音。衡量指标鸟类发声时间控制的方法有很多种。比较常用的由鸟类单次叫声的数量、相邻两次叫声的间隔时间等。
2.3.2 幅度调制
使鸟鸣声的强度随时间发生变化即鸟类发声的幅度调制[11]。对于鸣禽来说，幅度调制的首要因素是的鸣肌和呼吸肌，他们控制着鸣管阀的开关。实验表明，当腹部气管支气管肌和背部鸣肌的变得活跃时，鸣管的阻抗也随之增大，从而鸣管中的气流速度减小，进而幅值也减小，反之亦然。