Einführung Rufanalyse

Unter Rufanalyse soll hier ausschließlich die computergestützte Analyse am Computer behandelt werden. Viele Arten können auch schon im Gelände anhand des Höreindrucks grob angesprochen werden. Hierfür werden gängigerweise sogenannte Mischer-Detektoren verwendet. Diese generieren jedoch zur Hörbarmachung des Ultraschalls ein artifizielles Signal, das nicht weiter analysierbar ist.

Die computergestützte Analyse benötigt Sound-Dateien, die meist als Wave-Dateien (Endung „.wav“) gespeichert werden. Bis vor Kurzem wurden zur Aufzeichnung fast ausschließlich sogenannten Zeitdehner-Detektoren verwendet, die das Ultraschallsignal intern speichern und zeitgedehnt (meist Faktor 10) wieder abspielen, so dass das Signal auf verschiedene Medien, die zur Speicherung von hörbarem Schall geeignet sind, übertragen werden kann. Dies geschieht meist mit einer Abtastrate (Zeitauflösung) von 44,1 kHz. Neuere Geräte arbeiten dagegen meist mit viel höheren Sampleraten und speichern den aufgenommenen Schall direkt als digitale Dateien, z.B. auf Speicherkarten oder einen Laptop. Diese Geräte werden deshalb auch als Echtzeit-Systeme bezeichnet.
Die resultierenden digitalen Dateien haben zwei wesentliche Attribute, die weiter unten näher erklärt werden:
- die Abtastrate (Samplerate)
- die Amplitudenauflösung

Akustische Signale sind Druckwellenschwankungen. Töne sind dabei harmonische Schwingungen einer bestimmten Tonhöhe (Frequenz) und Lautstärke (Amplitude). Diese Druckschwankungen der Luft werden von einem Mikrofon in entsprechende Spannungsschwankungen gewandelt. Üblicherweise werden diese Schwankungen als Oszillogramm dargestellt.


oszillogrammneu-2Oszillogramm



Um das analoge Signal digital zu speichern, muss die Amplitude zu bestimmten Zeitpunkten (Abtastrate) in diskrete Zahlenwerte umgewandelt werden. Angegeben werden Abtastrate und Amplitudenauflösung in kHz und Bit. Je höher diese Zahlen, desto besser sind Zeit- und Lautstärkeauflösung. Für die mitteleuropäischen Fledermäuse sollten die Werte nicht unter 500 kHz und 16 Bit liegen, um eine gut analysierbare Signalqualität zu erhalten.


sampleratedie digitalisierte Wellenform besitzt konkrete Zeit- und Amplitudenwerte

Aus diesen digitalen Daten müssen nun die Informationen extrahiert werden, die eine Artbestimmung des Rufes ermöglichen. Im einfachsten Fall wird einfach nur analysiert, wie häufig eine Schwingung die Nulllinie schneidet, um daraus die Frequenz zu berechnen (Nulldurchgangsanalyse). Am häufigsten werden zur Signalanalyse jedoch Spektrum und Spektrogramm / Sonagramm benutzt. Hierzu werden mittels einer FFT-Analyse (FastFourierTransformation) die Frequenzanteile eines Signals ermittelt. Während jedoch das Spektrum die Frequenzanteile für ein markiertes Signalstück als Ganzes ermittelt, berücksichtigt das Sonagramm auch die zeitliche Abfolge, in dem es für viele kleine Stücke (Fenster) hintereinander die Spektren berechnet.
spektrumDas Spektrum zeigt die Frequenzanteile (Pegel in Dezibel) für ein ausgewähltes Signalstück

sonagramm3Das Sonagramm eines Fledermausrufes; die Farben codieren die Amplitude der Frequenz zu einem Zeitpunkt

Die Rufparameter können nun je nach Software aus den Grafiken mittels eines Messcursors oder auch halbautomatisch bis automatisch gemessen werden. Hierbei ist zu beachten, dass die Einstellungen für diese Analysen (zum Beispiel die FFT) stark das Ergebnis beeinflussen können. Es gibt auch keine allgemein gültigen Definitionen zur Benennung der Parameter, oder wie genau sie zu messen sind. Hier gibt es in der Literatur und auch in Software-Anwendungen große Verwirrung. Im Spektrum und dem Sonagramm werden meist folgende Parameter ermittelt:

  • fmean: Meanfrequenz, Hauptfrequenz oder auch Peakfrequenz genannt; Frequenz mit dem stärksten Anteil bezogen auf den gesamten Ruf; wird im Spektrum ermittelt

  • fpeak: Frequenz bei der höchsten Amplitude des Oszillogramms: nicht zu verwechseln mit fmean

  • fmin: tiefste Frequenz im Rufverlauf; häufig sind fmin und fend gleich

  • fmax: höchste Frequenz im Rufverlauf; entspricht meist der Startfrequenz

  • fstart: Frequenz am Beginn des Rufes

  • fend: Frequenz am Ende des Rufes

  • b: bandwith/Bandbreite; fmax - fmin

  • d: Dauer; Länge des Rufes

  • I oder IPI: Intervall zwischen zwei Rufen; gemessen vom Ende eines Rufes bis zum Anfang des nächsten Rufes


rufparameter4 rufparameter1Die gängigsten Parameter, die in Spektrum und Sonagramm gemessen werden

Zunehmend werden auch Formparameter des Rufes zur Bestimmung heran gezogen. Diese sind jedoch meist nur bei speziellen Ruftypen anwendbar, und teilweise schwer objektiv zu messen.

  • fknee: bei vielen Rufen ist der Ruf deutlich zweigeteilt in einen steilen Anfang und einen relativ flachen Hauptteil. Die Stelle mit der stärksten Steigungsänderung ist häufig als Knick sichtbar

  • fc (fRmin): charakteristische Frequenz oder QCF-Frequenz; die Frequenz am Ende des flachsten Teiles des Rufes; sie entspricht häufig auch fmean

  • fmk: Frequenz am „Myotis-Knick“; speziell die Arten der Gattung Myotis zeigen am Rufende noch einen Knick, an dem die Frequenz stärker abfällt. An der Stelle der stärksten Steigungsänderung wird hier die Frequenz gemessen


rufparameter2

rufparameter3Formparameter


Artbestimmung

Mit Hilfe der gemessenen Parameter lassen sich nun die Rufe bestimmen. Bücher und Fachartikel helfen, mittels Rufform und Messwerten Arten zu identifizieren. Leider reicht fast nie ein einzelner Parameter für eine sichere Artbestimmung. Einzig die Hufeisennasen-Arten lassen sich in Deutschland anhand der Hauptfrequenz ansprechen. Das nachfolgende Bild zeigt, dass schon die recht gut zu bestimmenden Arten Zwerg- und Rauhhautfledermaus eine deutliche Überlappung hinsichtlich der Hauptfrequenz aufweisen. Mehrdimensionale Darstellungen der Parameter helfen hier bei der Unterscheidung.
fmeangegendurpipistrellus2Hauptfrequenz gegen Rufdauer von Zwerg- und Rauhhautfledermaus

Es lassen sich nicht immer alle Rufe sicher bestimmen, da die meisten Arten sehr variabel rufen können, und es so es zu Überlappung im Rufrepertoire vieler Arten kommt. Nur typische Rufe können deshalb bestimmt werden. Rufe aus dem Überlappungsbereich sollten nur grob einem Gruppenniveau zugewiesen werden. Zusammen mit den Koordinationsstellen für Fledermausschutz in Bayern, haben wir einen Leitfaden zum sicheren Artnachweis mittels Rufaufnahmen entwickelt. Er kann hier herunter geladen werden (rechte Seitenleiste). Da die Artbestimmung anhand von Fledermausrufen häufig recht schwierig ist, liefert sie stark vom Bearbeiter abhängige Ergebnisse. Deshalb, und auch weil die manuelle Vermessung der Rufe zeitaufwändig ist, geht der Trend momentan hin zu Software, die Rufe automatisch vermisst und mittels statistischer Verfahren Arten zuweist (siehe batcorder-System).