南美白对虾进食前后发声信号特点分析

张丽珍，陆天辰，杨加庆，胡庆松，曹正良

(1. 上海海洋大学工程学院，上海201306；2. 上海海洋大学海洋科学学院，上海201306)

0 引 言

虾类是我国的主要水产品之一，20世纪80年代对虾养殖业开始迅速发展[1-2]，并由个人养殖模式发展为工厂化养殖模式。为了适应当前养殖虾塘向节能、环保、精准、高效的生产方式发展的需求，自动投饵设备已经逐步成为节省劳力以降低成本、精准投喂并节约饲料、保护水质促进虾类健康生长的关键环节。一般较好的方法是通过掌握对虾的摄食行为进而实现投饵自动化控制。

据研究表明，虾的声音信号可由口器产生[3]，文献[4]中发现南美白对虾产生的宽带脉冲信号(频率为2～8 kHz)主要与进食有关，并且虾的发声波形具有一定的规律。但国内大多数圈养南美白对虾都通过驯化来适应内陆淡水，其进食生理状态以及环境等都可能导致发声信号的特点有很大变化。因此本文借助Matlab软件，搭建对虾声音信号提取与识别系统，能够对淡水养殖环境下南美白对虾进食前后的发声信号进行时、频域分析，目的是为对虾的自动化投饵机设计和病害预测评估等提供参考。

1 材料与方法

1.1 实验材料

养殖虾塘水下声音采集所用的装置是 SM2型声音记录仪，包括两只HTI圆柱型水听器和带有数据储存SD卡的数据采集器，如图1(a)和1(b)所示。水听器具有较宽的带宽，数据采集器可设置数据采集时间及采样频率等，这里根据水听器前置放大滤波(频带响应范围约在30 kHz以下)，采样频率人工设置为96 000 Hz，储存格式为WAV，声音分析软件为Matlab软件。

图1 数据采集装置Fig.1 Data acquisition device

1.2 实验环境

为了对南美白对虾在淡水养殖下的信号进行采集并且避免采集信号的偶然性，分别在3处不同的池塘中进行对虾信号的采集，3个采集池塘分别依次记为 A、B、C环境。水产养殖基地的养殖虾塘均为 6亩(1亩≈666.67 m2)左右的室外大塘，南美白对虾亩产400～500斤(1斤=0.5 kg)，所养殖的南美白对虾均被淡水驯化过。实验中将两只水听器悬吊于废旧的小船两侧，两个水听器入水约为40 cm(水深约 80 cm)、水平距离约为 1 m，传感器与岸边的距离约为3 m；数据采集器放置在岸边，由电缆与水听器连接。实验布局如图2所示。

图2 实验布局图Fig.2 Experimental layout

在南美白对虾的成虾阶段进行数据采集，从投饵前1 h开始记录，直到投饵结束后1 h停止记录。根据虾通过外骨骼摩擦产生的“噼啪”声，选取录音文件中的有效信号，进行分析比较。

1.2 信号处理方法

通常对时间序列信号通常采用傅里叶变换，通过信号中不同频率成分的分析可以掌握信号特征。式(1)是数学中定义的离散时间傅里叶变换对[5]：

在 Matlab软件中，可以利用式(2)进行快速傅里叶变换计算[6]：

根据式(2)的短时傅里叶变换以及时窗移动叠加，可以计算信号的时频分布特征，即信号的声谱图。也可以利用 SM2型声音记录仪所提供的分析软件进行处理。

2 分析对比

国外学者已发现南美白对虾产生的宽带脉冲信号相似且与进食有关。根据国外学者的研究，南美白对虾产生的信号类似于“噼啪”声，信号频率在4～12 kHz之间。但由于Berk等[7]采集的信号来自盐水环境下生长的南美白对虾，目前暂无研究表明淡水驯化是否对南美白对虾发出的脉冲信号产生影响，所以该实验的首要任务是证明南美白对虾在国内淡水驯化后所产生的信号依旧有一定的规律。

为了对上述假设进行验证，在 A、B、C三处环境下进行了投饵前后的声音数据的采集。池塘养殖环境下采集到的有效数据主要由虾活动产生的声音以及环境噪声组成，噪声主要来自增氧泵，对虾发声采样时需关闭增氧泵，减少噪声来源。在获取实验数据后，首先对数据进行预处理，通过Matlab软件对南美白对虾的发声信号进行时频分析和特征提取。

2.1 投饵前后南美白对虾信号频谱分析

A、B、C三处环境中采集到的投饵前后数据通过Matlab软件转换得到声强幅值图，在投饵前后的频谱分析中，A、B、C三处环境下，首先通过Matlab软件截取每个虾塘投饵前后共 6 min的数据，其次在6 min的数据里，按投饵机开启与关闭的时间，分别截取数据段时长为投饵机打开前2 min，及投饵机投饵完成关闭后2 min，2段共4 min数据进行比较。图3～5分别展现了A、B、C三处各目标虾塘投饵前 2 min以及投饵机关闭后 2 min的采集数据。

在实验中，自动投饵是人为的确定信息，可以作为参考。已有研究[8]对声音信号的分析与比较得出：被动听声可以获取南美白对虾的摄食发声，并与其它噪声特征有明显差别、能够区分。这里对三个虾塘情况给予具体分析。由单个对虾产生的“毛刺”信号时域波形与国外学者所获取的“噼啪”信号相似，具有一定的周期规律。

图3 A环境下南美白对虾进食前后声频谱图Fig.3 Sound spectrums of Penaeus vannamei before and after feeding in A environment

图4 B环境下南美白对虾进食前后声频谱图Fig.4 Sound spectrums of Penaeus vannamei before and after feeding in B environment environment

图5 C环境下南美白对虾进食前后声频谱图Fig.5 Sound spectrums of Penaeus vannamei before and after feeding in C environment

如图3所示，A环境下投饵前数据整体声压较小，相对声压级在-30～ -40 dB之间，图3中2 kHz前高于投饵前1 kHz处较高，出现峰值；投饵后，在主峰值频率2 kHz以上强度有较大增加，声强幅度提高约至-25～ -20 dB，在1 kHz以下，强度降低，低于投饵前。

B环境下投饵前后声强幅值曲线如图4所示。投饵前1.5 kHz与8 kHz处出现两处较明显的峰值，5 kHz处声压幅值较低；投饵后2 kHz以下强度降低，低于投饵前，同时2 kHz以上强度升高，8 kHz处出现峰值。

从图5中可以看出，C环境下投饵前2 kHz频率处声压级幅值较高，投饵后在频率 2～6 kHz范围内，声压级开始上升，同时8 kHz处开始下降频率声强幅值下降，同A、B两处虾塘相似。

通过 A、B、C三个实验塘投饵前后各个频率声音强度幅值对比可以发现，投饵后频率2～8 kHz处声压级幅值明显提高，此处频率与南美白对虾发声信号的频率吻合。由此可见，南美白对虾在进食过程中产生的信号较多。

2.2 投饵前后1 min内南美白对虾发声时频谱分析

为了分析虾群在进食前后产生信号强度幅值变化的原因，利用 Matlab软件中的快速傅里叶变换对B、C环境下采集的声音信号进行处理，生成信号时频声谱图。B环境下投饵前1 min的波形与频谱图分别如图6、图7所示，投饵后1 min的波形与频谱图分别如图8、图9所示。

从图 6、8中可以看出，在投饵前毛刺信号较少，整体强度弱。在投饵开始后毛刺信号开始增多，信号强度增加。对比频谱图发现，在投饵开始后至投饵结束前，4～12 kHz频率处信号增多、增强，此频率区域与南美白对虾产生的信号频率重叠，在排除低频的投饵机噪声后，判断处于4～12 kHz频段范围的毛刺信号为南美白对虾产生的信号。

图6 B环境下投饵前1 min内的波形图Fig.6 Sound waveform in 1 min before Penaeus vannamei feeding in B environment

图7 B环境下投饵前1 min内的声谱图Fig.7 Spectrogram in 1 min before Penaeus vannamei feeding in B environment

图8 B环境下投饵后1 min内的波形图Fig.8 Sound waveform in 1 min after Penaeus vannamei feeding in B environment

图9 B环境下投饵后1 min内的声谱图Fig.9 Spectrogram in 1 min after Penaeus vannamei feeding in B environment

C环境下采集到的南美白对虾进食前后 1 min波形与频谱图如图10～13所示。

同B环境下图像显示结果相似，波形图显示投饵前毛刺信号较少，投饵后毛刺信号增多，并且从频谱图上来看，频率8 kHz处的声压级增大，排除人为干扰和自然噪声，判断此区域处于 8～12 kHz频率范围的毛刺信号为南美白对虾产生的信号。由此判断B、C两虾塘在投饵后虾群进食活动所产生的信号次数大幅度增加，信号频率在8～12 kHz之间。

图10 C环境下投饵前1 min内的波形图Fig.10 Sound waveform in 1 min before Penaeus vannamei feeding in C environment

图11 C环境下投饵前1 min内的声谱图Fig.11 Spectrogram in 1 min before Penaeus vannamei feeding in C environment

图12 C环境下投饵后1 min内的波形图Fig.12 Sound waveform in 1 min after Penaeus vannamei feeding in C environment

图13 C环境下投饵后1 min内的声谱图Fig.13 Spectrogram in 1 min after Penaeus vannamei feeding in C environment

2.2 投饵前后南美白对虾单个发声信号波形、频谱分析

在分析了进食前后南美白对虾发声信号的变化外，还对C环境下投饵前、中、后三个阶段单独的南美白对虾发声信号进行时频域分析。对投饵前后波形图中出现的毛刺信号进行分析对比，如图14～16所示。

图14 南美白进食前对虾发声波形、声谱图Fig.14 Sound waveform and spectrogram of Penaeus vannamei before eating

图15 南美白对虾进食时发声波形、声谱图Fig.15 Sound waveform and spectrogram of Penaeus vannamei when eating

图16 南美白对虾进食后发声波形、声谱图Fig.16 Sound waveform and spectrogram of Penaeus vannamei after eating

通过对进食前后的单个发声波形对比，进食前的发声波形更规则平稳，进食后虾的发声信号开始发生波动，有略微失真，但信号时长均在5.0 ms之内。投饵前后信号频率域并没有明显改变。通过B、C两处实验水域的信号对比初步判断，淡水驯化后的南美白对虾在投饵前后产生的信号不同，并且虾群在投饵后产生信号的频率增大。

2.3 投饵前后南美白对虾发声主峰频率统计分析

在得到南美白对虾进食前、后发声信号波形与声谱图后，对三处虾塘总计3 813个南美白对虾发声信号单独进行傅里叶变换，得到了频谱图并提取主峰频率，发声信号频谱图与主峰频率如图17所示。

图17 南美白对虾发声信号频谱图Fig.17 Spectrum of Penaeus vannamei vocal signal

对A虾塘3813个发声信号主峰频率统计如表1、图18所示。

表1 A塘南美白对虾进食前后发声的主峰频率统计Table 1 Statistics of main peak frequency of the Penaeus vannamei vocal signal in A Pond before and after eating

图18 南美白对虾进食前后发声信号的主峰频率变化Fig.18 Main peak frequency change of Penaeus vannamei vocal signal before and after eating

由图 18可以看出，南美白对虾发声信号在投饵前频率范围主要在 2～10 kHz，同时投饵后频率范围主要在5～15 kHz之间。频率区间同上文得到结论一致，所以判断南美白对虾在进食的发声信号主峰频率与投饵前有明显区别。

3 结 论

此次实验基本确定了南美白对虾在盐水水域与淡水水域具有同样的发声特征。同时淡水驯化后圈养的南美白虾产生的信号在投饵前后有一定的区别。首先，投饵后南美白对虾进食活动加剧，发声信号次数明显增多，在停止投饵后一段时间后逐渐减少。通过对发声信号主峰频率的统计分析表明：投饵前频率范围主要在 2～10 kHz，投饵后频率范围有所扩大，约在5～15 kHz之间，即南美白对虾发声信号主峰频率在进食前及其后有明显区别。南美白对虾投饵前、后产生信号的差异性这一特点为通过声音信号来控制投饵系统提供了可能。

实验时虾塘中水的能见度很低，无法观察或记录对虾的行为，进一步的工作需要利用实验室声学听测系统，并与水生动物行为学结合研究。同时，确定南美白对虾的饱食信号与进食信号的差异性也是下一步即将进行的工作。