張麗珍，陸天辰，楊加慶，胡慶松，曹正良

(1. 上海海洋大學(xué)工程學(xué)院，上海201306；2. 上海海洋大學(xué)海洋科學(xué)學(xué)院，上海201306)

0 引 言

蝦類是我國的主要水產(chǎn)品之一，20世紀(jì)80年代對蝦養(yǎng)殖業(yè)開始迅速發(fā)展[1-2]，并由個人養(yǎng)殖模式發(fā)展為工廠化養(yǎng)殖模式。為了適應(yīng)當(dāng)前養(yǎng)殖蝦塘向節(jié)能、環(huán)保、精準(zhǔn)、高效的生產(chǎn)方式發(fā)展的需求，自動投餌設(shè)備已經(jīng)逐步成為節(jié)省勞力以降低成本、精準(zhǔn)投喂并節(jié)約飼料、保護(hù)水質(zhì)促進(jìn)蝦類健康生長的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。一般較好的方法是通過掌握對蝦的攝食行為進(jìn)而實(shí)現(xiàn)投餌自動化控制。

據(jù)研究表明，蝦的聲音信號可由口器產(chǎn)生[3]，文獻(xiàn)[4]中發(fā)現(xiàn)南美白對蝦產(chǎn)生的寬帶脈沖信號(頻率為2～8 kHz)主要與進(jìn)食有關(guān)，并且蝦的發(fā)聲波形具有一定的規(guī)律。但國內(nèi)大多數(shù)圈養(yǎng)南美白對蝦都通過馴化來適應(yīng)內(nèi)陸淡水，其進(jìn)食生理狀態(tài)以及環(huán)境等都可能導(dǎo)致發(fā)聲信號的特點(diǎn)有很大變化。因此本文借助Matlab軟件，搭建對蝦聲音信號提取與識別系統(tǒng)，能夠?qū)ΦB(yǎng)殖環(huán)境下南美白對蝦進(jìn)食前后的發(fā)聲信號進(jìn)行時、頻域分析，目的是為對蝦的自動化投餌機(jī)設(shè)計(jì)和病害預(yù)測評估等提供參考。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

養(yǎng)殖蝦塘水下聲音采集所用的裝置是 SM2型聲音記錄儀，包括兩只HTI圓柱型水聽器和帶有數(shù)據(jù)儲存SD卡的數(shù)據(jù)采集器，如圖1(a)和1(b)所示。水聽器具有較寬的帶寬，數(shù)據(jù)采集器可設(shè)置數(shù)據(jù)采集時間及采樣頻率等，這里根據(jù)水聽器前置放大濾波(頻帶響應(yīng)范圍約在30 kHz以下)，采樣頻率人工設(shè)置為96 000 Hz，儲存格式為WAV，聲音分析軟件為Matlab軟件。

圖1 數(shù)據(jù)采集裝置Fig.1 Data acquisition device

1.2 實(shí)驗(yàn)環(huán)境

為了對南美白對蝦在淡水養(yǎng)殖下的信號進(jìn)行采集并且避免采集信號的偶然性，分別在3處不同的池塘中進(jìn)行對蝦信號的采集，3個采集池塘分別依次記為 A、B、C環(huán)境。水產(chǎn)養(yǎng)殖基地的養(yǎng)殖蝦塘均為 6畝(1畝≈666.67 m2)左右的室外大塘，南美白對蝦畝產(chǎn)400～500斤(1斤=0.5 kg)，所養(yǎng)殖的南美白對蝦均被淡水馴化過。實(shí)驗(yàn)中將兩只水聽器懸吊于廢舊的小船兩側(cè)，兩個水聽器入水約為40 cm(水深約 80 cm)、水平距離約為 1 m，傳感器與岸邊的距離約為3 m；數(shù)據(jù)采集器放置在岸邊，由電纜與水聽器連接。實(shí)驗(yàn)布局如圖2所示。

圖2 實(shí)驗(yàn)布局圖Fig.2 Experimental layout

在南美白對蝦的成蝦階段進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，從投餌前1 h開始記錄，直到投餌結(jié)束后1 h停止記錄。根據(jù)蝦通過外骨骼摩擦產(chǎn)生的“噼啪”聲，選取錄音文件中的有效信號，進(jìn)行分析比較。

1.2 信號處理方法

通常對時間序列信號通常采用傅里葉變換，通過信號中不同頻率成分的分析可以掌握信號特征。式(1)是數(shù)學(xué)中定義的離散時間傅里葉變換對[5]：

在 Matlab軟件中，可以利用式(2)進(jìn)行快速傅里葉變換計(jì)算[6]：

根據(jù)式(2)的短時傅里葉變換以及時窗移動疊加，可以計(jì)算信號的時頻分布特征，即信號的聲譜圖。也可以利用 SM2型聲音記錄儀所提供的分析軟件進(jìn)行處理。

2 分析對比

國外學(xué)者已發(fā)現(xiàn)南美白對蝦產(chǎn)生的寬帶脈沖信號相似且與進(jìn)食有關(guān)。根據(jù)國外學(xué)者的研究，南美白對蝦產(chǎn)生的信號類似于“噼啪”聲，信號頻率在4～12 kHz之間。但由于Berk等[7]采集的信號來自鹽水環(huán)境下生長的南美白對蝦，目前暫無研究表明淡水馴化是否對南美白對蝦發(fā)出的脈沖信號產(chǎn)生影響，所以該實(shí)驗(yàn)的首要任務(wù)是證明南美白對蝦在國內(nèi)淡水馴化后所產(chǎn)生的信號依舊有一定的規(guī)律。

為了對上述假設(shè)進(jìn)行驗(yàn)證，在 A、B、C三處環(huán)境下進(jìn)行了投餌前后的聲音數(shù)據(jù)的采集。池塘養(yǎng)殖環(huán)境下采集到的有效數(shù)據(jù)主要由蝦活動產(chǎn)生的聲音以及環(huán)境噪聲組成，噪聲主要來自增氧泵，對蝦發(fā)聲采樣時需關(guān)閉增氧泵，減少噪聲來源。在獲取實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)后，首先對數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，通過Matlab軟件對南美白對蝦的發(fā)聲信號進(jìn)行時頻分析和特征提取。

2.1 投餌前后南美白對蝦信號頻譜分析

A、B、C三處環(huán)境中采集到的投餌前后數(shù)據(jù)通過Matlab軟件轉(zhuǎn)換得到聲強(qiáng)幅值圖，在投餌前后的頻譜分析中，A、B、C三處環(huán)境下，首先通過Matlab軟件截取每個蝦塘投餌前后共 6 min的數(shù)據(jù)，其次在6 min的數(shù)據(jù)里，按投餌機(jī)開啟與關(guān)閉的時間，分別截取數(shù)據(jù)段時長為投餌機(jī)打開前2 min，及投餌機(jī)投餌完成關(guān)閉后2 min，2段共4 min數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。圖3～5分別展現(xiàn)了A、B、C三處各目標(biāo)蝦塘投餌前 2 min以及投餌機(jī)關(guān)閉后 2 min的采集數(shù)據(jù)。

在實(shí)驗(yàn)中，自動投餌是人為的確定信息，可以作為參考。已有研究[8]對聲音信號的分析與比較得出：被動聽聲可以獲取南美白對蝦的攝食發(fā)聲，并與其它噪聲特征有明顯差別、能夠區(qū)分。這里對三個蝦塘情況給予具體分析。由單個對蝦產(chǎn)生的“毛刺”信號時域波形與國外學(xué)者所獲取的“噼啪”信號相似，具有一定的周期規(guī)律。

圖3 A環(huán)境下南美白對蝦進(jìn)食前后聲頻譜圖Fig.3 Sound spectrums of Penaeus vannamei before and after feeding in A environment

圖4 B環(huán)境下南美白對蝦進(jìn)食前后聲頻譜圖Fig.4 Sound spectrums of Penaeus vannamei before and after feeding in B environment environment

圖5 C環(huán)境下南美白對蝦進(jìn)食前后聲頻譜圖Fig.5 Sound spectrums of Penaeus vannamei before and after feeding in C environment

如圖3所示，A環(huán)境下投餌前數(shù)據(jù)整體聲壓較小，相對聲壓級在-30～ -40 dB之間，圖3中2 kHz前高于投餌前1 kHz處較高，出現(xiàn)峰值；投餌后，在主峰值頻率2 kHz以上強(qiáng)度有較大增加，聲強(qiáng)幅度提高約至-25～ -20 dB，在1 kHz以下，強(qiáng)度降低，低于投餌前。

B環(huán)境下投餌前后聲強(qiáng)幅值曲線如圖4所示。投餌前1.5 kHz與8 kHz處出現(xiàn)兩處較明顯的峰值，5 kHz處聲壓幅值較低；投餌后2 kHz以下強(qiáng)度降低，低于投餌前，同時2 kHz以上強(qiáng)度升高，8 kHz處出現(xiàn)峰值。

從圖5中可以看出，C環(huán)境下投餌前2 kHz頻率處聲壓級幅值較高，投餌后在頻率 2～6 kHz范圍內(nèi)，聲壓級開始上升，同時8 kHz處開始下降頻率聲強(qiáng)幅值下降，同A、B兩處蝦塘相似。

通過 A、B、C三個實(shí)驗(yàn)塘投餌前后各個頻率聲音強(qiáng)度幅值對比可以發(fā)現(xiàn)，投餌后頻率2～8 kHz處聲壓級幅值明顯提高，此處頻率與南美白對蝦發(fā)聲信號的頻率吻合。由此可見，南美白對蝦在進(jìn)食過程中產(chǎn)生的信號較多。

2.2 投餌前后1 min內(nèi)南美白對蝦發(fā)聲時頻譜分析

為了分析蝦群在進(jìn)食前后產(chǎn)生信號強(qiáng)度幅值變化的原因，利用 Matlab軟件中的快速傅里葉變換對B、C環(huán)境下采集的聲音信號進(jìn)行處理，生成信號時頻聲譜圖。B環(huán)境下投餌前1 min的波形與頻譜圖分別如圖6、圖7所示，投餌后1 min的波形與頻譜圖分別如圖8、圖9所示。

從圖 6、8中可以看出，在投餌前毛刺信號較少，整體強(qiáng)度弱。在投餌開始后毛刺信號開始增多，信號強(qiáng)度增加。對比頻譜圖發(fā)現(xiàn)，在投餌開始后至投餌結(jié)束前，4～12 kHz頻率處信號增多、增強(qiáng)，此頻率區(qū)域與南美白對蝦產(chǎn)生的信號頻率重疊，在排除低頻的投餌機(jī)噪聲后，判斷處于4～12 kHz頻段范圍的毛刺信號為南美白對蝦產(chǎn)生的信號。

圖6 B環(huán)境下投餌前1 min內(nèi)的波形圖Fig.6 Sound waveform in 1 min before Penaeus vannamei feeding in B environment

圖7 B環(huán)境下投餌前1 min內(nèi)的聲譜圖Fig.7 Spectrogram in 1 min before Penaeus vannamei feeding in B environment

圖8 B環(huán)境下投餌后1 min內(nèi)的波形圖Fig.8 Sound waveform in 1 min after Penaeus vannamei feeding in B environment

圖9 B環(huán)境下投餌后1 min內(nèi)的聲譜圖Fig.9 Spectrogram in 1 min after Penaeus vannamei feeding in B environment

C環(huán)境下采集到的南美白對蝦進(jìn)食前后 1 min波形與頻譜圖如圖10～13所示。

同B環(huán)境下圖像顯示結(jié)果相似，波形圖顯示投餌前毛刺信號較少，投餌后毛刺信號增多，并且從頻譜圖上來看，頻率8 kHz處的聲壓級增大，排除人為干擾和自然噪聲，判斷此區(qū)域處于 8～12 kHz頻率范圍的毛刺信號為南美白對蝦產(chǎn)生的信號。由此判斷B、C兩蝦塘在投餌后蝦群進(jìn)食活動所產(chǎn)生的信號次數(shù)大幅度增加，信號頻率在8～12 kHz之間。

圖10 C環(huán)境下投餌前1 min內(nèi)的波形圖Fig.10 Sound waveform in 1 min before Penaeus vannamei feeding in C environment

圖11 C環(huán)境下投餌前1 min內(nèi)的聲譜圖Fig.11 Spectrogram in 1 min before Penaeus vannamei feeding in C environment

圖12 C環(huán)境下投餌后1 min內(nèi)的波形圖Fig.12 Sound waveform in 1 min after Penaeus vannamei feeding in C environment

圖13 C環(huán)境下投餌后1 min內(nèi)的聲譜圖Fig.13 Spectrogram in 1 min after Penaeus vannamei feeding in C environment

2.2 投餌前后南美白對蝦單個發(fā)聲信號波形、頻譜分析

在分析了進(jìn)食前后南美白對蝦發(fā)聲信號的變化外，還對C環(huán)境下投餌前、中、后三個階段單獨(dú)的南美白對蝦發(fā)聲信號進(jìn)行時頻域分析。對投餌前后波形圖中出現(xiàn)的毛刺信號進(jìn)行分析對比，如圖14～16所示。

圖14 南美白進(jìn)食前對蝦發(fā)聲波形、聲譜圖Fig.14 Sound waveform and spectrogram of Penaeus vannamei before eating

圖15 南美白對蝦進(jìn)食時發(fā)聲波形、聲譜圖Fig.15 Sound waveform and spectrogram of Penaeus vannamei when eating

圖16 南美白對蝦進(jìn)食后發(fā)聲波形、聲譜圖Fig.16 Sound waveform and spectrogram of Penaeus vannamei after eating

通過對進(jìn)食前后的單個發(fā)聲波形對比，進(jìn)食前的發(fā)聲波形更規(guī)則平穩(wěn)，進(jìn)食后蝦的發(fā)聲信號開始發(fā)生波動，有略微失真，但信號時長均在5.0 ms之內(nèi)。投餌前后信號頻率域并沒有明顯改變。通過B、C兩處實(shí)驗(yàn)水域的信號對比初步判斷，淡水馴化后的南美白對蝦在投餌前后產(chǎn)生的信號不同，并且蝦群在投餌后產(chǎn)生信號的頻率增大。

2.3 投餌前后南美白對蝦發(fā)聲主峰頻率統(tǒng)計(jì)分析

在得到南美白對蝦進(jìn)食前、后發(fā)聲信號波形與聲譜圖后，對三處蝦塘總計(jì)3 813個南美白對蝦發(fā)聲信號單獨(dú)進(jìn)行傅里葉變換，得到了頻譜圖并提取主峰頻率，發(fā)聲信號頻譜圖與主峰頻率如圖17所示。

圖17 南美白對蝦發(fā)聲信號頻譜圖Fig.17 Spectrum of Penaeus vannamei vocal signal

對A蝦塘3813個發(fā)聲信號主峰頻率統(tǒng)計(jì)如表1、圖18所示。

表1 A塘南美白對蝦進(jìn)食前后發(fā)聲的主峰頻率統(tǒng)計(jì)Table 1 Statistics of main peak frequency of the Penaeus vannamei vocal signal in A Pond before and after eating

圖18 南美白對蝦進(jìn)食前后發(fā)聲信號的主峰頻率變化Fig.18 Main peak frequency change of Penaeus vannamei vocal signal before and after eating

由圖 18可以看出，南美白對蝦發(fā)聲信號在投餌前頻率范圍主要在 2～10 kHz，同時投餌后頻率范圍主要在5～15 kHz之間。頻率區(qū)間同上文得到結(jié)論一致，所以判斷南美白對蝦在進(jìn)食的發(fā)聲信號主峰頻率與投餌前有明顯區(qū)別。

3 結(jié) 論

此次實(shí)驗(yàn)基本確定了南美白對蝦在鹽水水域與淡水水域具有同樣的發(fā)聲特征。同時淡水馴化后圈養(yǎng)的南美白蝦產(chǎn)生的信號在投餌前后有一定的區(qū)別。首先，投餌后南美白對蝦進(jìn)食活動加劇，發(fā)聲信號次數(shù)明顯增多，在停止投餌后一段時間后逐漸減少。通過對發(fā)聲信號主峰頻率的統(tǒng)計(jì)分析表明：投餌前頻率范圍主要在 2～10 kHz，投餌后頻率范圍有所擴(kuò)大，約在5～15 kHz之間，即南美白對蝦發(fā)聲信號主峰頻率在進(jìn)食前及其后有明顯區(qū)別。南美白對蝦投餌前、后產(chǎn)生信號的差異性這一特點(diǎn)為通過聲音信號來控制投餌系統(tǒng)提供了可能。

實(shí)驗(yàn)時蝦塘中水的能見度很低，無法觀察或記錄對蝦的行為，進(jìn)一步的工作需要利用實(shí)驗(yàn)室聲學(xué)聽測系統(tǒng)，并與水生動物行為學(xué)結(jié)合研究。同時，確定南美白對蝦的飽食信號與進(jìn)食信號的差異性也是下一步即將進(jìn)行的工作。