卜宇飛，祁驍杰，溫俊寶，許志春

（北京林業(yè)大學(xué) 林木有害生物防治北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100083）

2種天牛幼蟲的4類聲行為特征

卜宇飛，祁驍杰，溫俊寶，許志春

（北京林業(yè)大學(xué) 林木有害生物防治北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100083）

應(yīng)用聲音偵聽技術(shù)監(jiān)測(cè)隱蔽性害蟲是一種較有前景的方法，明確害蟲各類聲行為的特征有利于排除不同聲行為混合疊加的干擾，從而有效地識(shí)別害蟲種類及其活動(dòng)方式。利用紅外監(jiān)控下的聲音偵聽系統(tǒng)對(duì)光肩星天牛Anoplophora glabripennis幼蟲和星天牛A.chinensis幼蟲的聲行為進(jìn)行了分類和分析。2種天牛幼蟲的聲行為主要分為取食、爬行、清理蛀道和自衛(wèi)4類，取食聲占比最高，可達(dá)34%。4類聲行為在時(shí)域圖的最大振幅、波形和脈沖持續(xù)時(shí)間以及頻譜圖的能量分布和頻段均表現(xiàn)出了不同的特征。此外，對(duì)聲行為進(jìn)行時(shí)域和頻域的定量分析發(fā)現(xiàn)，脈沖持續(xù)時(shí)間和脈沖主頻均體現(xiàn)出較大差異，取食聲脈沖持續(xù)時(shí)間短，分別為25.96 ms和24.28 ms，主頻最高，超過(guò)7.00 kHz。對(duì)天牛幼蟲不同聲行為的信號(hào)特征進(jìn)行了探索，嘗試通過(guò)排除各類聲行為的干擾以提高偵聽效果，同時(shí)發(fā)現(xiàn)取食聲脈沖時(shí)間短、振幅大且頻率高，在實(shí)際偵聽時(shí)可以進(jìn)行較快的辨別。圖3表2參17

森林保護(hù)學(xué)；聲音偵聽技術(shù)；隱蔽性害蟲；光肩星天牛；星天牛；聲行為；聲音特征

聲音偵聽技術(shù)具有早期監(jiān)測(cè)、準(zhǔn)確率高、破壞性小等特點(diǎn)，在滯后性強(qiáng)、毀滅性大的隱蔽性害蟲監(jiān)測(cè)領(lǐng)域具有較為明顯的應(yīng)用前景［1］。科研工作者利用聲音偵聽技術(shù)，對(duì)水果害蟲［2］、倉(cāng)儲(chǔ)害蟲［3］、地下害蟲［4］、林木蛀干害蟲［5］等各類隱蔽性害蟲開展了廣泛的研究，為探測(cè)害蟲活動(dòng)的位置、強(qiáng)度及數(shù)量等提供了有效的技術(shù)支持，為有針對(duì)性防治害蟲提供良好的數(shù)據(jù)支撐。目前，聲音偵聽技術(shù)的研究主要集中在開發(fā)研究設(shè)備［6］、擴(kuò)展研究對(duì)象［7］、改進(jìn)分析方法［8］等方面，也涉及了一些與隱蔽性害蟲聲行為相關(guān)的報(bào)道。程驚秋［9］對(duì)寄主木段中的桔梗天牛Nadezhdiella cantori幼蟲、桑粒肩天牛Apriona qermari幼蟲的聲行為進(jìn)行了研究。孫開源等［10］利用帶有攝像裝置的害蟲聲音采集平臺(tái)，使用大震膜電容麥克風(fēng)在隔音箱內(nèi)對(duì)黃粉蟲Tenebrio molitor成蟲的爬行和咬食活動(dòng)的聲音進(jìn)行了提取。KOCˇáREK［11］研究發(fā)現(xiàn)了地中海天牛Icosium tomentosum幼蟲獨(dú)特的齊鳴行為。韋雪青［12］的研究表明，天牛幼蟲爬行聲信號(hào)具有不穩(wěn)定性，時(shí)域規(guī)律不明顯，頻率范圍較窄，主頻小于取食聲信號(hào)。王鴻斌等［13］對(duì)雌雄紅脂大小蠹Dendroctonus valens成蟲的多類聲行為進(jìn)行了聲音特征分析，并用掃描電鏡對(duì)其摩擦發(fā)聲器官進(jìn)行了觀察與記錄。潘杰等［14］利用聲音探測(cè)技術(shù)對(duì)口岸經(jīng)常截獲的有害生物的取食和爬行聲信號(hào)進(jìn)行了探討分析。隱蔽性害蟲的聲行為具有多樣性，對(duì)應(yīng)產(chǎn)生的信號(hào)也具有其本身的特征和差異。為了進(jìn)一步明確和細(xì)化害蟲不同類聲行為的特征，排除各類聲行為混合疊加影響偵聽效果，提高偵聽技術(shù)的實(shí)用性和準(zhǔn)確性，本研究選取了林木蛀干害蟲中常見的光肩星天牛Anoplophora glabripennis幼蟲和星天牛A.chinensis幼蟲，對(duì)其聲行為進(jìn)行了觀察和分類，并對(duì)聲信號(hào)進(jìn)行了采集和分析。

1 材料與方法

1.1 供試?yán)ハx

供試的光肩星天牛、星天牛均采自浙江省寧波市杭州灣新區(qū)沿海防護(hù)林（30°10′N，121°14′E，平均海拔2.2 m）中的柳樹Salix babylonica。該地的柳樹蟲口密度較大［15］，便于采集和挑選。幼蟲由北京林業(yè)大學(xué)林木有害生物防治北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室鑒定。帶蟲木段的制備：沿蛀道剖開有蟲木段，選取體型和活性等生理?xiàng)l件一致，齡期為3齡的2種幼蟲各8頭，齡期的劃分參考賀萍等［16］和張海濱等［17］的方法。確認(rèn)蟲體活性后放回原蛀道，并將木段帶有蛀道的剖面磨平，表面覆蓋有機(jī)玻璃并用鋼絲固定，放置昆蟲1頭·木段-1，2端蠟封保濕，在設(shè)定溫度為20℃的生化培養(yǎng)箱內(nèi)進(jìn)行密閉飼養(yǎng)，每天檢查昆蟲的活性，待發(fā)現(xiàn)連續(xù)3 d有新鮮蟲糞產(chǎn)生，說(shuō)明昆蟲已定居并開始蛀食，清理蟲糞進(jìn)行觀察并采集聲音。

1.2 儀器設(shè)備和軟件

聲音偵聽系統(tǒng)包括采集系統(tǒng)和分析系統(tǒng)。采集系統(tǒng)：AED-2010L便攜式聲音探測(cè)儀套機(jī)，含AED-2010主機(jī)，SP-1L低頻傳感探棒（共振晶體頻率40 kHz，前置放大器40 db，輸出50 Ω），DMH-30磁性轉(zhuǎn)換接頭，直徑為1/16英寸鉆頭及適配器，SONY立體聲耳機(jī)，電源適配器，USB數(shù)據(jù)線等；Roland R09高保真數(shù)字錄音機(jī)。分析系統(tǒng)：Adobe Audition 3.0和Matlab平臺(tái)下的林木蛀干害蟲聲音分析系統(tǒng)等。

其他配套硬件和軟件：計(jì)算機(jī)（型號(hào)ASUS A42J）；生化培養(yǎng)箱（LRH-250A）；隔音棉（50 cm×50 cm ×5 cm）；IKENO IK-204攝像頭；外置紅外輔助燈；三腳架等。數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析軟件：Office Excel 2010和PASW Statistics 18等。

1.3 聲行為的觀察和聲信號(hào)的采集

試驗(yàn)裝置見圖1。在黑暗條件下，采取紅外燈補(bǔ)光、攝像頭連接計(jì)算機(jī)的方法。在計(jì)算機(jī)上用監(jiān)控軟件實(shí)時(shí)監(jiān)視天牛幼蟲在蛀道的行為并記錄時(shí)間，同時(shí)利用聲音偵聽系統(tǒng)采集聲音。

本試驗(yàn)預(yù)先在帶蟲木段距離幼蟲3 cm處鉆孔，用于放置和固定SP-1L探頭。將木段放置于隔音棉上，AED-2010L便攜式聲音探測(cè)儀一端連接的SP-1L探頭，另一端連接錄音機(jī)R09用于采集聲音數(shù)據(jù)，R09外接SONY耳機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)偵聽。其中，AED-2010L選擇H/C模式，時(shí)間設(shè)置為0 s，信號(hào)增益設(shè)置為G4級(jí)；R09選擇采樣率為44.10 kHz，位深為24 bits，保存格式為wav。2種天牛幼蟲各8頭，重復(fù)3次·頭－1，2種幼蟲各24段錄音，每段錄音時(shí)長(zhǎng)10 min。

圖1 試驗(yàn)裝置圖Figure 1 Test unit figure

1.4 聲信號(hào)的預(yù)處理和定性分析

利用Adobe Audition 3.0對(duì)采集到的音頻數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理和定性分析：首先通過(guò)采集預(yù)制噪音的模塊逐次消除對(duì)試驗(yàn)結(jié)果影響最大的電噪聲，然后對(duì)照時(shí)間軸分別挑選出4類聲行為的聲音脈沖信號(hào)片段，將其裁剪并保存，最后觀察聲信號(hào)的時(shí)域圖、頻譜圖，并分析圖形特征。

1.5 聲信號(hào)定量分析

利用在Matlab平臺(tái)自主編制的林木蛀干害蟲聲音分析系統(tǒng)對(duì)預(yù)處理后的聲音信號(hào)片段中的單脈沖進(jìn)行定量分析。該系統(tǒng)可以完成對(duì)聲信號(hào)的圖形輸出和定量分析。本次試驗(yàn)在每段錄音中的4類聲行為各選取3個(gè)聲脈沖，2種幼蟲的每類聲行為均計(jì)72個(gè)聲脈沖，主要選取脈沖持續(xù)時(shí)間和主頻2個(gè)數(shù)值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，以此分別來(lái)反映信號(hào)的時(shí)域的頻域兩方面的特征。

2 結(jié)果與分析

2.1 聲行為的觀測(cè)和分類

根據(jù)觀察，2種天牛幼蟲的聲行為主要都可以分為4類，取食聲：幼蟲咬噬寄主、取食時(shí)發(fā)聲；爬行聲：幼蟲在蛀道中緩慢爬行，體表步泡突與寄主摩擦發(fā)聲；清理蛀道聲：幼蟲依靠口器和蟲體的挪動(dòng)慢慢推動(dòng)蟲糞和木屑發(fā)聲；自衛(wèi)聲：幼蟲受驚時(shí)蜷縮蟲體或快速爬行（向前或向后）發(fā)聲。此外，還有難以歸為上述4類的其他發(fā)聲行為，如蟲體活動(dòng)時(shí)與寄主之間發(fā)生的一些無(wú)規(guī)律的摩擦和沖撞。

各類聲行為觀察的統(tǒng)計(jì)（表1）表明：在4類聲行為中，2種天牛幼蟲的取食聲時(shí)長(zhǎng)均占比最高，分別為34.45%和34.14%，原因可能是供試幼蟲處在合適的環(huán)境溫度和取食量較大的齡期。爬行聲時(shí)長(zhǎng)僅次于取食聲，2種幼蟲占比都超過(guò)了25%；清理蛀道聲占比約11%；自衛(wèi)聲占比最小，但也超過(guò)了5%。

對(duì)比實(shí)時(shí)的偵聽與監(jiān)控，天牛幼蟲的自衛(wèi)聲一般出現(xiàn)在錄音的開始階段，原因可能是偵聽開始時(shí)，微小振動(dòng)、木段位移等因素使幼蟲感受了環(huán)境的變化，從而作出了應(yīng)激反應(yīng)。清理蛀道聲一般出現(xiàn)在取食聲和爬行聲之間，幼蟲通常將一段時(shí)間內(nèi)取食產(chǎn)生的木屑和糞便進(jìn)行清理，之后在蛀道內(nèi)進(jìn)行活動(dòng)。

表1 天牛幼蟲的聲行為時(shí)長(zhǎng)統(tǒng)計(jì)表Table 1 Duration-statistical table about acoustic behaviors of cerambycid larvae

2.2 聲行為的時(shí)域波形特征

2種天牛幼蟲的同類聲行為波形相似，均包含一些共同的特征。取食聲波前大后小，波形前端出現(xiàn)最大振幅后迅速趨于平穩(wěn)，持續(xù)時(shí)間短，最大的相對(duì)振幅可達(dá)0.8，顯著大于其他4類聲行為；爬行聲持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)且不規(guī)律，振幅有波動(dòng)但相對(duì)振幅一般不超過(guò)0.2，在4類聲行為中是最小的；清理蛀道聲會(huì)出現(xiàn)1個(gè)較大的振幅，相對(duì)振幅值可達(dá)0.5~0.6，僅次于取食聲；自衛(wèi)聲波形間隔時(shí)間極短，一般小于50.0 ms，連續(xù)出現(xiàn)，振幅大于爬行聲，相對(duì)振幅可達(dá)0.4（圖2）。

2.3 聲行為的頻譜特征

天牛幼蟲的4類聲行為的能量分布和頻帶各有差異，但頻率的能量分布都是從低頻段向高頻段遞減（圖3）。取食聲能量分布集中，呈現(xiàn)的是1條小于50 ms的寬帶譜線，由多個(gè)頻率迭加而成，頻率范圍大，在0.0~20.0 kHz均有分布；爬行聲能量分布較為分散，頻帶呈長(zhǎng)條的窄帶譜線，頻率范圍小：光肩星天牛幼蟲分布在2.0~8.0 kHz，而星天牛則在1.0~6.0 kHz；清理蛀道聲能量分布集中，頻帶窄但頻率范圍?。汗饧缧翘炫Ｓ紫x分布在1.0~4.0 kHz，星天牛幼蟲則在0.0~6.0 kHz；自衛(wèi)聲能量分布分散，條狀譜帶間隔出現(xiàn)，頻率范圍小，均在0.0~8.0 kHz。

2.3 聲行為的時(shí)頻分析

2種天牛幼蟲聲行為的單脈沖持續(xù)時(shí)間和主頻的均值統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表2。爬行聲的脈沖持續(xù)時(shí)間最長(zhǎng)，光肩星天牛為79.30 ms，星天牛為81.59 ms。清理蛀道聲的脈沖持續(xù)時(shí)間居中，取食聲和自衛(wèi)聲的脈沖持續(xù)時(shí)間最短，且兩者較為接近。2種幼蟲的同類聲行為的頻率接近，且取食聲均顯著大于其他聲行為，自衛(wèi)聲次之，清理蛀道聲再次之，爬行聲最小。

圖2 天牛幼蟲聲行為的時(shí)域圖Figure 2 Time-domain graphs about acoustic behaviors of cerambycid larvae

3 討論

目前，科研工作者對(duì)隱蔽性害蟲聲行為的研究有限，在已有的研究中主要將聲行為分為取食和爬行2類，而實(shí)際上，害蟲的聲行為具有多樣性和復(fù)雜性。本試驗(yàn)將2種天牛幼蟲的聲行為主要分為4類，其中清理蛀道聲和自衛(wèi)聲在絕大多數(shù)天牛幼蟲中是普遍存在的。4類聲行為的活動(dòng)形式和發(fā)聲原理存在差異，因此，產(chǎn)生的聲音也具有不同的信號(hào)特征。取食聲持續(xù)時(shí)間短、能量集中和頻率高的特點(diǎn)可能是由于幼蟲口器咬噬堅(jiān)韌木纖維瞬間發(fā)出的聲音的緣故；爬行聲連續(xù)出現(xiàn)的原因是蟲體移行時(shí)與蛀道持續(xù)摩擦，信號(hào)不穩(wěn)定則可能由活動(dòng)速率、活動(dòng)方式和步泡突結(jié)構(gòu)的差異導(dǎo)致的；清理蛀道聲的時(shí)域波形圖一般會(huì)出現(xiàn)一個(gè)較大的波峰，可能是因?yàn)橛紫x用口器或軀體瞬時(shí)發(fā)力將蟲糞和木屑推出蛀道形成較大能量；幼蟲自衛(wèi)時(shí)蜷縮蟲體以假死或者以快速爬行的活動(dòng)方式逃逸，從而導(dǎo)致自衛(wèi)聲和爬行聲一樣連續(xù)出現(xiàn)并具有更高的能量強(qiáng)度。探索天牛幼蟲不同聲行為的發(fā)聲機(jī)制和影響因素，區(qū)別這些聲音信號(hào)的特征，可以排除在實(shí)際偵聽時(shí)各類聲行為互相疊加帶來(lái)的干擾，提高偵聽效率和準(zhǔn)確率。此外，這對(duì)于天牛幼蟲的分類學(xué)和行為學(xué)的研究也具有一定的參考意義。

表2 天牛幼蟲的聲行為信號(hào)單脈沖的特征值Table 2 The characteristic values about acoustic behaviors of cerambycid larvae

圖3 天牛幼蟲聲行為的頻譜圖Figure 3 Spectrograms about acoustic behaviors of cerambycid larvae

天牛幼蟲的取食聲由于具有持續(xù)時(shí)間短、振幅大和頻率高的特征，并在偵聽過(guò)程中表現(xiàn)為短促尖銳的聽覺(jué)感受，因此，可以快速與環(huán)境噪音和其他發(fā)聲行為進(jìn)行辨別。在實(shí)際應(yīng)用偵聽技術(shù)監(jiān)測(cè)天牛蟲害時(shí)，工作人員可以通過(guò)選擇幼蟲取食頻率較大的時(shí)段來(lái)提高偵聽的效率。同時(shí)，結(jié)合國(guó)內(nèi)和國(guó)外已有的研究，不同種害蟲的取食聲具有比較明顯的時(shí)頻差異，也可以利用它進(jìn)行害蟲的種間識(shí)別。

為了模擬天牛幼蟲在蛀道中的黑暗環(huán)境，本試驗(yàn)監(jiān)控時(shí)用來(lái)補(bǔ)光的紅外燈、剖開的木段以及覆蓋的有機(jī)玻璃都可能會(huì)對(duì)幼蟲的生活產(chǎn)生一定的影響。本試驗(yàn)的環(huán)境和對(duì)象也均趨于理想，而在實(shí)際應(yīng)用中，天牛幼蟲會(huì)出現(xiàn)齡期不齊、個(gè)體差異、寄主不同等各種復(fù)雜情況，這就需要研究者控制不同變量，對(duì)幼蟲在不同條件下的聲音進(jìn)行采集和補(bǔ)充，從而提高偵聽技術(shù)的實(shí)用性和準(zhǔn)確性。

本試驗(yàn)選取了2種同屬的天牛幼蟲。根據(jù)觀察和統(tǒng)計(jì)，它們的同種聲行為時(shí)間占比相近，信號(hào)特征相近，并無(wú)顯著差異。其他隱蔽性害蟲如重要的林木蛀干害蟲小蠹類，幼蟲及其雌雄成蟲均可在寄主中危害，它們?cè)谥乐械穆曅袨楦呌趶?fù)雜且較難觀察。各種害蟲的不同類聲行為，以及各類聲行為的影響因素如口器結(jié)構(gòu)、步泡突結(jié)構(gòu)、活動(dòng)速率等，值得進(jìn)一步的研究和討論。細(xì)化聲行為的信號(hào)的共性和差異，探索具有應(yīng)用價(jià)值的信號(hào)特征，并建立和補(bǔ)充害蟲聲音數(shù)據(jù)庫(kù)，對(duì)進(jìn)一步推動(dòng)聲學(xué)與昆蟲學(xué)交叉領(lǐng)域的害蟲聲音偵聽技術(shù)具有十分重要的意義。

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Acoustic behaviors for two species of cerambycid larvae

BU Yufei，QI Xiaojie，WEN Junbao，XU Zhichun
（Beijing Key Laboratory for Forest Pest Control,Beijing Forestry University，Beijing 100083,China）

Acoustic detection technology is a promising method to monitor hidden pests.Defining characteristics about different acoustic behaviors of pests is beneficial to improve the accuracy of acoustic detection technology,can eliminate interference between different acoustic behaviors to help identify species and pest activities. This study explored and analyzed acoustic behaviors for different cerambycid larvae of Anoplophora glabripennis and Anoplophora chinensis by using an infrared monitoring and acoustic detection system.Results showed four types of acoustic behaviors:feeding,moving,cleaning,and self-protection,with feeding sounds having the largest proportion （34%）.Time-domain graphs revealed differences with maximum amplitude,waveform,and pulse duration.Energy distribution and frequency band in spectrograms also showed differences.Single sound pulse duration and dominant frequency of acoustic behaviors had different characteristic values.Pulse duration of the feeding sound was short （25.96 ms for A.glabripennis and 24.28 ms for A.chinensis）.The highest dominant frequency was with the feeding sound（exceeding 7.00 kHz）.This study produced helpful information regarding elimination of noise and showed that in practical application the feeding sound could be easily identified with short pulse duration,large amplitude,and high frequency.［Ch,3 fig.2 tab.17 ref.］

forest protection;acoustic detection technology;hidden pests;Anoplophora glabripennis; Anoplophora chinensis;acoustic behaviors;acoustic characteristics

S763.3

A

2095-0756（2017）01-0050-06

2016-01-18;

2016-03-14

北京市科技創(chuàng)新基地培育與發(fā)展工程專項(xiàng)項(xiàng)目（Z131105002813017）

卜宇飛，從事林木蛀干害蟲偵聽技術(shù)研究。E-mail:18811798801@163.com。通信作者：許志春，副教授，從事森林害蟲綜合管理研究。E-mail:zhchxu@bjfu.edu.cn

浙 江 農(nóng) 林 大 學(xué) 學(xué) 報(bào)，2017，34（1）：56-62

Journal of Zhejiang A＆F University

10.11833/j.issn.2095-0756.2017.01.009