社区所有版块导航
Python
python开源   Django   Python   DjangoApp   pycharm  
DATA
docker   Elasticsearch  
aigc
aigc   chatgpt  
WEB开发
linux   MongoDB   Redis   DATABASE   NGINX   其他Web框架   web工具   zookeeper   tornado   NoSql   Bootstrap   js   peewee   Git   bottle   IE   MQ   Jquery  
机器学习
机器学习算法  
Python88.com
反馈   公告   社区推广  
产品
短视频  
印度
印度  
Py学习  »  机器学习算法

JASA | AI“听音辨泡”:深度学习助力深海甲烷气泡精准监测

21dB声学人 • 7 月前 • 252 次点击  



在深邃的海洋底部,甲烷等气体以气泡形式从沉积物中逸出,形成所谓的“冷泉”现象。这些气泡不仅是地球碳循环的重要环节,也可能影响海洋生态乃至全球气候。如何长期、非侵入式地监测这些气泡的释放速率和规模?被动声学监测技术因其低功耗、可长期部署等优势,成为重要的观测手段。

然而,传统PAM面临一项核心挑战:深海环境噪声复杂多变——风浪、船舶、生物活动等声音交织,使得微弱的气泡共振信号常被背景噪声淹没。尤其在低信噪比条件下,传统检测方法难以准确识别气泡。

针对这一难题,浙江大学与中国科学院深海科学与工程研究所的研究团队提出一种思路:先利用深度学习模型从混合信号中分离出气泡声,再进行检测分析 。该项研究于2026年1月28日发表于《美国声学学会杂志》(JASA)。


从“在混合信号中直接检测”到“先分离再检测”


传统气泡检测通常在原始录音上进行时频分析,寻找气泡共振特征。但当信噪比低至约-5 dB时,气泡特征在时频图中难以辨识,导致检测性能下降。

图1 提出的方法示意图。(a) 典型的被动声学气泡检测流程。(b) 基于物理约束仿真数据的深度学习分离模型训练示意图。

研究团队借鉴语音处理中的“鸡尾酒会问题”思路,尝试将气泡声从环境噪声中分离出来。他们采用专为时域波形设计的Wave-U-Net作为基础架构,该模型直接处理原始波形,通过编码器-解码器结构实现端到端分离,能保留完整相位信息。团队还设计了四种变体模型(M-1至M-5),其中M-4(使用可学习的上/下采样层)在后续实验中于气泡检测指标上相对占优

基于物理仿真的训练数据生成


深度学习模型通常需要大量标注数据,但实际深海录音中难以获取“纯净”的气泡声作为真值标签。为此,团队基于气泡声学理论(Leighton理论)建立了一套数值仿真框架,生成符合物理规律的合成气泡声信号,包括Minnaert频率、阻尼系数、辐射声压等关键参数,再按预设的气泡尺寸分布与气体通量叠加为气泡羽流声。

这些合成气泡声与不同类型噪声(高斯噪声、模拟风浪与船舶噪声、真实深海环境噪声)按不同信噪比混合,构成训练数据集。该方法不仅避免了繁琐的实地标注,也通过物理约束增强了模型的泛化能力。

图2 相关文献中的气泡尺寸分布。红线代表均值为10毫米、标准差为5毫米的对数正态分布。此图汇总了不同研究地点观测到的水下气泡羽流的气泡尺寸分布数据,并叠加了一条对数正态分布曲线作为示例。

实验验证

研究设计了三组实验,噪声环境逐步接近真实深海条件:
DT-1:高斯噪声
DT-2:模拟风浪与船舶噪声
DT-3:海马冷泉实测环境噪声

图3 在 (a) 含高斯噪声的DT-1数据集、(b) 含模拟风浪与船舶噪声的DT-2数据集、(c) 含海马实测环境噪声的DT-3数据集上的训练损失曲线。展示了五个深度学习模型(M-1至M-5)在三个不同噪声数据集上训练时损失函数值随训练过程的变化曲线

实验表明,即使在信噪比低至-5 dB(DT-1、DT-2)或-10 dB(DT-3)时,模型仍能有效提取气泡声,其功率谱重心相关系数与峰值能量相关系数显示分离结果与真值具有相关性。相比于直接在混合信号上进行检测,该策略在低信噪比条件下表现出更高的检测精确率与召回率

海马冷泉实地观测结果


2024年7月至8月,团队在南海海马冷泉(水深约1386米)布放六通道水听器阵列进行观测。实验分为两个阶段:
第一阶段:阵列距离最近气泡羽流>200米,检测到的气泡事件较少,气泡释放率与环境压力相关系数较弱(ρ=-0.14,p<0.05)。
第二阶段:阵列移至距离羽流约10米处,检测到的气泡释放率与环境压力呈现显著负相关(ρ=-0.45,p<0.001)。

图4 海马冷泉气体羽流被动声学监测场景。(a) 部署在着陆器观测平台上的水听器阵列。(b) 载人潜水器(HOV)摄像机拍摄的气泡羽流。白色虚线框标出了气泡羽流区域。(c) 第二阶段数据采集场景示意图。

该负相关关系与已有研究一致:环境静水压力升高(如涨潮)会抑制气体逸出,气泡释放率下降;压力降低时释放率上升。作为对比,若直接在原始录音上进行检测(无分离步骤),即使降低检测阈值,也未能得到统计显著的相关性结果。

总结

研究将深度学习信号分离技术应用于水下气泡声监测,提出"先分离、后检测"的处理流程,在低信噪比环境下表现出优于传统方法的检测稳定性 。研究同时指出当前方法的局限,如基于球形气泡假设、噪声为加性混合等,未来可进一步探索气泡形变建模、自适应检测阈值、端到端联合优化等方向。

论文信息:Liu, S., Liu, B., Du, M., Yang, C., & Xu, W. (2026). Deep learning-based bubble separation for passive acoustic monitoring of underwater gas plumes. The Journal of the Acoustical Society of America, 149(1), 816–832. https://doi.org/10.1121/10.0042232


  关于我们  


21dB声学人是中国科学院声学研究所苏州电声产业化基地旗下科技媒体,专注于声学新技术、音频测试与分析、声学市场调研、声学创业孵化、知识产权服务等。

  合作推广  


稿件投稿 | 创业支持 | 知产服务 | 技术转化
请发送需求至以下邮箱,我们将派专人与您联系
21db@ioasonic.com

  免责声明  

本文内容基于该期刊论文公开信息撰写,仅供学术交流与信息分享,不为其版权负责。所有技术细节、实验数据与结论均以原论文为准。如涉及侵权、隐私等问题,请联系我们及时删除。联系微信:acoustic21dB


图片

Python社区是高质量的Python/Django开发社区
本文地址:http://www.python88.com/topic/192379