曹正良，沈夢庭，李釗丞，汪自豪，王秀秀

上海海洋大學 海洋科學學院，上海 201306

甲殼動物會因繁衍、領地等行為而主動發(fā)聲[1-3]，也會因為其他活動而被動發(fā)聲，如游動、躲避天敵和進食[4-7]。它們有多種不同的發(fā)聲機制，且隨環(huán)境不同而變化。如槍蝦 (Alpheus dis-tinguendus) 利用大螯快速閉合發(fā)聲[8-9]；某些龍蝦會通過振動外殼或通過觸角基部發(fā)聲[10-11]；多刺龍蝦 (Palinurus elephas) 可以產生寬頻帶的刺耳聲；穴居螳螂蝦 (Odontodactylus scyllarus) 在黎明和黃昏會發(fā)出有節(jié)奏的低頻“隆隆”聲[12-13]。甲殼動物尤其是對蝦，是具有重大經濟價值的水產養(yǎng)殖對象。在對蝦養(yǎng)殖中，一般養(yǎng)殖密度大、水體透明度低，對蝦攝食基本依賴于飼料托盤[14]，這不僅需要人工判斷，并且所獲得的飼料消耗情況具有局限性。近年來，被動聲學技術逐漸開始應用于對蝦養(yǎng)殖中的投喂與飼料管理。已有研究表明[6,15]，對蝦的大顎末端鈣化，在攝食活動中大顎相互碰撞和摩擦會發(fā)出“噼啪”聲。由于聲波在水中衰減小且不受水體濁度影響[16]，被動聲學監(jiān)測作為一種無干擾的聲學方法，已成為研究包括對蝦在內的生物發(fā)聲的重要工具[6,17-20]。Reis等[13]結合凡納濱對蝦(Litopenaeus vannamei) 養(yǎng)殖的聲學投喂系統(tǒng)應用，指出在各種養(yǎng)殖環(huán)境 (水箱、池塘、生產系統(tǒng))、飼養(yǎng)條件 (水深、水的透明度和水下光強度) 和不同放養(yǎng)密度下均能采集到對蝦的攝食發(fā)聲信息。

目前已有許多學者對凡納濱對蝦的發(fā)聲信號特征進行了研究[18-19,21]。Silva等[5]利用立體顯微鏡對其大顎結構進行了解剖研究，進一步明確其攝食發(fā)聲的機制。影響凡納濱對蝦攝食發(fā)聲信號特征的因素有很多，如顆粒飼料的質地特性、飼料的粒徑和長度、對蝦的生長階段。就顆粒飼料而言，飼料質地會影響大顎咀嚼的咬合力，從而影響攝食過程中產生信號的聲學特征[6]。飼料的硬度和水分影響攝食發(fā)聲信號特征，而飼料的浸泡時間影響聲音強度[18,22]，對蝦攝食添加了效應物的飼料速度更快、用時更短、單位時間內發(fā)聲信號次數(shù)更多[23]。Peixoto等[19]通過凡納濱對蝦攝食不同長度的顆粒飼料 (粒徑2.4 mm) 實驗，發(fā)現(xiàn)不同飼料長度不會影響其攝食發(fā)聲信號特征，僅影響單顆飼料的發(fā)聲次數(shù)。澳大利亞AQ1聲學反饋系統(tǒng)已應用于實際水產養(yǎng)殖中[24]，通過評估凡納濱對蝦養(yǎng)殖投餌效果，得出以被動聲學方法的自動投喂效益更好[25-28]。國內凡納濱對蝦養(yǎng)殖多以蝦塘的集約化養(yǎng)殖為主，飼料投喂基本根據經驗估算，對于投喂量的控制仍未形成科學的評估體系[29]。有研究[30-32]確定了養(yǎng)殖蝦塘的凡納濱對蝦攝食發(fā)聲信號頻率約介于4～15 kHz。雖然關于對蝦攝食飼料發(fā)聲已有大量研究，但均未考慮對蝦攝食不同粒徑顆粒飼料時聲學信號特征是否改變。此外， Peixoto等[19]實驗中使用的2.4 mm飼料不符合我國情況，且對蝦不同生長階段投喂的飼料粒徑也不同，因此有必要針對我國常用的顆粒飼料粒徑規(guī)格 (0.4、0.8和1.2 mm)，進一步判斷飼料規(guī)格是否影響對蝦的攝食發(fā)聲信號特征。本研究結合水下攝影機獲取的影像資料，在實驗室中對同種體長的凡納濱對蝦投喂3種不同粒徑的顆粒飼料，并通過聲音采集裝置記錄其攝食發(fā)聲，從而確定其聲學信號特征，研究結果可為水產養(yǎng)殖中基于攝食發(fā)聲信號的自動投喂等應用提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 實驗設計

實驗樣本選自在舟山嵊泗大洋山養(yǎng)殖基地大池(直徑3.4 m、高1.2 m) 中養(yǎng)殖的凡納濱對蝦 (體長9～10 cm)，養(yǎng)殖水體溫度、鹽度、溶解氧和無機鹽均維持在適宜范圍內 (24 h持續(xù)充氧、溫度28 ℃，鹽度30‰)。實驗前，將對蝦在有增氧設備的暫養(yǎng)水箱 (44 cm×28 cm×30 cm) 中禁食約20 h，以確保實驗過程中對蝦的攝食欲望。實驗的顆粒飼料粒徑分別為0.4、0.8和1.2 mm。實驗隨機選取一組對蝦 (3尾) 放入一個透明的聲學實驗玻璃水箱 (44 cm×28 cm×30 cm) 中，且保持與之前一致的條件，投喂一種類型飼料結束后，更換對蝦進行下一種類型的飼料實驗。實驗水箱四周用黑色膜布包圍，同時在水箱頂部加蓋泡沫板以隔絕環(huán)境噪音干擾，由于對蝦攝食時多在底部活動，因此水聽器懸掛在玻璃水箱靠近底部約2/3的位置 (圖1)。

圖1 實驗布設示意圖Fig. 1 Schematic diagram of experimental layout

攝像設備為大疆水下攝像機。聲音采集系統(tǒng)由水聽器和聲學記錄儀組成，水聽器為HTI-96-Min水聽器，頻率最優(yōu)范圍為2 Hz～30 kHz (圖2-a)；聲音記錄儀為生物聲學記錄儀SM4，記錄帶寬為20 Hz～48 kHz (圖2-b)。水聽器水平無指向性且?guī)捿^大，能夠滿足對凡納濱對蝦聲音采集的需求；SM4同時具有數(shù)據采集和數(shù)據存儲功能，可以設置數(shù)據采集時間和采樣頻率等參數(shù)。

圖2 聲音采集系統(tǒng)Fig. 2 Sound acquisition system

1.2 實驗數(shù)據的采集

聲音采集過程中關閉增氧機，設置SM4采樣頻率為96 000 Hz，數(shù)據儲存為“.wav”格式。聲音采集系統(tǒng)開啟之后的前5 min不投餌，采集對蝦攝食前聲音，5 min后投餌，投餌位置在水聽器附近，保證水聽器可以采集到對蝦的攝食聲音，投餌后的采集時間為10 min。為判斷凡納濱對蝦行為與聲音的對應關系，并觀察其進食不同粒徑顆粒飼料的情況，在實驗玻璃水箱中用攝像設備記錄對蝦的攝食，通過比較音頻與視頻信息，可以明確聲音信號與其進食活動的關系。

采集信號后，發(fā)現(xiàn)聲音信號存在一個難以去除的電干擾，但并不影響實驗結果的分析?；跁r域、頻域和時頻分析凡納濱對蝦的攝食信號的聲學特性。在Matlab R2019b軟件中，對時間序列信號通常采用傅里葉變換，得到攝食發(fā)聲信號的時頻分布，即信號的時頻圖[32]，并結合波形圖和頻譜圖分析信號的聲學特征，其中頻譜圖中的峰值對應的頻率為譜峰中心頻率[33]。

2 結果

2.1 攝食發(fā)聲信號的確定

在聲音信號采集過程中，通過實時攝像發(fā)現(xiàn)凡納濱對蝦剛進入玻璃水箱時不斷快速游動并伴隨撞壁行為，隨后3尾對蝦逐漸適應靜臥于水箱底部。信號采集開始5 min后，將飼料投入水箱 (水聽器附近)，發(fā)現(xiàn)投餌后的短時間內，對蝦開始攫取顆粒飼料，且非只攫取一顆飼料，而是抱取多個輪換咀嚼，此時能夠檢測到攝食發(fā)聲信號。

通過觀察采集到的各組信號波形圖，在投餌前的5 min，幾乎無發(fā)聲信號。與影像進行對比，可以確定投餌后對蝦開始游動尋找飼料，隨后攝食并產生聲音信號。由于投喂的飼料較少 (0.5 g)，在投餌后采集的10 min內無殘留。對蝦攝食過程中無環(huán)境聲音干擾，因此可以確定該段時間采集到了對蝦多次攝食發(fā)聲信號。

2.2 不同顆粒飼料情況下凡納濱對蝦攝食發(fā)聲信號分析

觀察分析實驗中采集的凡納濱對蝦攝食發(fā)聲信號，以1 min為基準截取音頻，對比投餌前后波形圖和頻譜圖的相對聲壓級能量變化 (圖3)。可以發(fā)現(xiàn)對蝦攝食期間的能量高于非攝食期間，說明在攝食過程中產生了一定量的攝食發(fā)聲信號。從確定攝食的波形圖中挑選發(fā)聲信號，放大320 s附近信號(圖4)，對應不同顆粒飼料情況均可確定對蝦攝食發(fā)聲信號。

圖3 投餌前后波形圖 (a) 和相對聲壓級 (b) 對比Fig. 3 Comparison of waveform (a) and relative sound pressure level (b) before and after feeding

圖4 放大的單個信號波形圖Fig. 4 Amplified waveform of a single signal

2.2.1 粒徑0.4 mm的攝食發(fā)聲信號特征

從圖5的波形圖可以發(fā)現(xiàn)，投餌前的5 min，發(fā)聲信號非常少，投餌后發(fā)聲信號數(shù)量顯著增加，結合影像可以確定該時間內凡納濱對蝦存在頻繁的攝食行為。從中選取發(fā)聲信號放大觀察 (圖6)，可以確定攝食發(fā)聲信號的時間寬度約介于8～10 ms，且觀察對比波形，相似度很高。從圖6的波形圖中選取2個信號，觀察其時頻圖 (圖7)，發(fā)現(xiàn)攝食發(fā)聲信號的頻率介于5～45 kHz。

圖5 攝食0.4 mm顆粒飼料的波形圖Fig. 5 Waveform of feeding pellets of 0.4 mm

圖6 截取信號波形圖Fig. 6 Waveform of selected signals

圖7 截取信號的時頻圖Fig. 7 Spectrogram of selected signals

進一步對比5個波形信號對應的頻譜 (圖8-a)，發(fā)現(xiàn)頻率介于5～45 kHz，譜峰中心頻率多在17 kHz附近，其中0～10 kHz內的線譜是前文提到的電干擾。將選取信號的相對聲壓疊在同一個坐標上 (圖8-b)，聲音信號的頻率范圍重疊度很高，頻率介于5～45 kHz，部分信號頻譜在高頻區(qū)域存在一個能量較低的次主峰。觀察選取的5和10個信號相對聲壓的平均圖 (圖8-b)，可以進一步確定凡納濱對蝦進食0.4 mm的攝食發(fā)聲信號頻率介于5～45 kHz，其中5個信號的譜峰中心頻率平均約17 kHz，10個信號的平均值略有降低，約16 kHz，高頻區(qū)域存在一個次主峰。

圖8 攝食0.4 mm顆粒飼料的發(fā)聲信號注：a. 攝食發(fā)聲信號的波形圖和頻譜圖；b. 信號的頻譜對比和均值。圖10，圖12—14同此。Fig. 8 Acoustic signals of feeding pellets of 0.4 mmNote: a. Waveform and spectrum map of feeding acoustic signals; b. Comparison and the average of relative sound pressure level.The same case in and Fig. 10 and Fig. 12?14.

2.2.2 粒徑0.8 mm的攝食發(fā)聲信號特征

從對蝦攝食0.8 mm飼料的波形圖可以判斷凡納濱對蝦攝食行為的發(fā)生，從中挑取兩個毛刺信號進行傅立葉變換，畫出對應信號的波形圖和時頻圖(圖9)，觀察到攝食粒徑為0.8 mm的顆粒飼料的攝食發(fā)聲信號頻率介于5～45 kHz，譜峰中心頻率介于15～20 kHz。選取5個攝食發(fā)聲信號的頻譜(圖10-a)，發(fā)現(xiàn)頻率范圍與時頻圖得到的結果一致，也有信號在高頻區(qū)域存在次主峰。將選取信號的相對聲壓疊在同一個坐標軸上，頻率范圍重疊度較高，譜峰中心頻率較為分散 (15～20 kHz)，結合圖10-b中5個和10個信號的均值曲線，兩個均值曲線差異不大，推測譜峰中心頻率平均約17 kHz。

圖9 攝食0.8 mm顆粒飼料的發(fā)聲信號圖 (上：波形圖；下：時頻圖)Fig. 9 Acoustic signals of feeding pellets of 0.8 mm (Above: waveform; blow: spectrogram)

圖10 攝食0.8 mm顆粒飼料的發(fā)聲信號Fig. 10 Acoustic signals of feeding pellets of 0.8 mm

2.2.3 粒徑1.2 mm的攝食發(fā)聲信號特征

同樣從確定的攝食1.2 mm粒徑的發(fā)聲信號中選取兩個信號，根據圖11的波形和時頻圖可以判斷，聲音信號的頻率介于5～45 kHz之間。觀察5個攝食發(fā)聲信號的頻譜，如圖12-a所示，發(fā)現(xiàn)也存在部分信號在高頻區(qū)域出現(xiàn)次主峰。結合圖12-b，可以發(fā)現(xiàn)所選取的信號頻率范圍相似度極高，并結合圖中兩組信號的均值曲線可以確定攝食1.2 mm粒徑飼料的聲音信號頻率介于5～45 kHz，譜峰中心頻率平均約為10 kHz。

圖11 攝食1.2 mm顆粒飼料的發(fā)聲信號圖 (上：波形圖；下：時頻圖)Fig. 11 Acoustic signals of feeding pellets of 1.2 mm (Above: waveform; blow: spectrogram)

圖12 攝食1.2 mm顆粒飼料的發(fā)聲信號Fig. 12 Acoustic signals of feeding pellets of 1.2 mm

2.3 其他情況下對蝦攝食發(fā)聲信號分析

凡納濱對蝦的養(yǎng)殖過程中，除了會投喂不同規(guī)格的顆粒飼料，也會投喂沙蠶 (Nereis succinea) 等軟體動物飼料補充營養(yǎng)物質?？赡苡捎谏承Q自身的特性，對蝦攝食沙蠶產生的聲音信號較為復雜，個體間差異較大，本實驗選取了一致性較好的5個信號。觀察分析圖13中對蝦進食沙蠶的攝食發(fā)聲信號，并結合圖13-b的均值曲線，發(fā)現(xiàn)其頻率范圍較小 (5～20 kHz)，譜峰中心頻率約7 kHz。顆粒飼料和沙蠶的攝食發(fā)聲信號有明顯區(qū)別，因此兩者可以通過攝食發(fā)聲信號的頻率范圍和譜峰中心頻率加以區(qū)分。

圖13 攝食沙蠶的發(fā)聲信號Fig. 13 Acoustic signals of feeding N. succinea

此外，筆者采集了2020年8月養(yǎng)殖蝦塘的對蝦攝食發(fā)聲信號，由對蝦生長周期推測該時期蝦塘中對蝦的體長和生長狀態(tài)與實驗室所用對蝦相近。通過分析其波形和頻譜圖 (圖14)，可以看出蝦塘對蝦攝食發(fā)聲信號的頻率介于4～25 kHz，除了實驗室中信號頻譜有次主峰外，蝦塘與實驗室的對蝦攝食發(fā)聲信號的聲學特征相似。

圖14 養(yǎng)殖蝦塘的對蝦攝食發(fā)聲信號Fig. 14 Acoustic signals of feeding pellets in shrimp farming pond

3 討論

凡納濱對蝦在投餌后產生了大量的攝食發(fā)聲信號，攝食不同飼料 (如顆粒飼料、沙蠶)的信號特征存在差異，另外攝食不同粒徑的顆粒飼料產生的發(fā)聲信號時間寬度和頻率范圍相似，譜峰中心頻率略有差異。不考慮實驗室對蝦攝食聲音信號高頻區(qū)域存在次主峰的情況下，蝦塘對蝦攝食信號的聲學特征與實驗室的相似，但也存在差異，可能與實驗數(shù)據采集時兩者對蝦的生長階段或大小分布不同及蝦塘中存在其他餌料有關。

對蝦攝食3種不同粒徑飼料的波形圖相似，信號時間寬度約8～10 ms，對比已有研究，信號時間寬度存在區(qū)別，這是因為對蝦種類和發(fā)聲機制不同，此外，實驗所用水箱材質不同也有一定影響[5-6,13,18-19]。對蝦攝食發(fā)聲信號的頻率介于5～45 kHz，其中攝食0.4和0.8 mm粒徑飼料的發(fā)聲信號譜峰中心頻率約17 kHz，攝食1.2 mm粒徑飼料約10 kHz；攝食3種不同粒徑顆粒飼料的聲音信號頻譜中均有高頻區(qū)域的次主峰。目前已有研究確定的凡納濱對蝦攝食發(fā)聲信號頻率范圍有多個數(shù)值，Sliva等[5]實驗中為3～35 kHz，而Peixoto等[18-19]實驗中確定為3～48 kHz，均與本文結果有些許差異，可能與所使用的對蝦生長階段不同有關。另外，實驗室中對蝦進食沙蠶的發(fā)聲信號頻率介于5～20 kHz，譜峰中心頻率在7 kHz附近，因此可以與攝食顆粒飼料的信號區(qū)分，具體發(fā)聲信號特征參數(shù)對比見表1。

表1 不同情況下凡納濱對蝦攝食發(fā)聲信號特征Table 1 Characteristics of acoustic signals of L. vannamei in different situations

實驗室和蝦塘中生長階段和體長相近的對蝦攝食發(fā)聲信號特征具有較高的相似性，區(qū)別在于蝦塘信號頻譜中高頻區(qū)域無次主峰出現(xiàn)，可能與實驗室使用玻璃水箱信號存在一定的反射和失真有關，另外考慮到實驗室與蝦塘采集信號過程中錄音環(huán)境的影響，凡納濱對蝦與水聽器的位置也可能導致兩處采集到的對蝦發(fā)聲信號存在差異。此外本文確定的蝦塘對蝦攝食發(fā)聲信號頻率介于4～25 kHz，譜峰中心頻率為7 kHz，與現(xiàn)有研究[30-32]中確定的4～15 kHz的頻率范圍不同，這可能與兩者數(shù)據采集時對蝦的生長階段或大小分布不同有關。然而，結合對蝦攝食沙蠶的聲音信號特征，在后續(xù)蝦塘的攝食發(fā)聲分析中要考慮聲音信號是對蝦進食其他飼料(如沙蠶和死蝦) 產生的可能性。

Peixoto等[18]提出顆粒飼料在水中的浸泡時長并不影響對蝦攝食發(fā)聲信號特征。本實驗中攝食發(fā)聲信號特征存在微小變化，但對蝦快速輪換飼料顆粒攝食時間較短，無法確定顆粒飼料軟化破碎過程的影響，后續(xù)可以進一步細化實驗分析。另外，在實驗影像中觀察到對蝦彈射，初步分析發(fā)現(xiàn)其聲音特征與攝食聲音特征差異較大，但還有待進一步研究其聲音信號的穩(wěn)定性，特別是養(yǎng)殖現(xiàn)場中的對蝦應激行為發(fā)聲需要進一步區(qū)分，以便拓展應用。由于實驗對蝦經過饑餓處理且投喂飼料較少，可以馬上檢測到發(fā)聲信號、投餌后10 min餌料已無殘留，而池塘中的對蝦在投餌后2 min才檢測到發(fā)聲信號[6]，說明實驗環(huán)境有利于對蝦找到飼料并攝食，實際中集群對蝦的攝食發(fā)聲能量和攝食量的變化仍有待進一步確定。為了在水產養(yǎng)殖中利用攝食發(fā)聲信號實現(xiàn)自動投喂，未來還需進一步研究不同生長階段凡納濱對蝦攝食發(fā)聲信號的特征及其在應激情況下的發(fā)聲情況。