Characteristics of feeding acoustic signals of Litopenaeus vannamei fed with pellets of different sizes
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摘要: 对虾摄食时会被动发声。研究不同粒径的颗粒饲料对凡纳滨对虾 (Litopenaeus vannamei) 摄食发声信号特征的影响，可为基于摄食发声信号的自动投喂等应用提供理论依据。基于被动声学方法，在实验室水箱中采集凡纳滨对虾 (体长9~10 cm) 摄食不同粒径颗粒饲料 (粒径为0.4、0.8和1.2 mm) 的发声信号。对其摄食发声信号波形图、时频图和频谱图的分析表明，对虾摄食不同粒径颗粒饲料的声音信号特征相似，频率介于5~45 kHz，其中摄食0.4和0.8 mm的声音信号谱峰中心频率约17 kHz，摄食1.2 mm的平均约10 kHz；对虾摄食沙蚕 (Nereis succinea) 信号的频率范围和谱峰中心频率与摄食颗粒饲料相比有明显区别，摄食沙蚕声音信号频率介于5~20 kHz，谱峰中心频率约7 kHz；与养殖现场虾塘中凡纳滨对虾摄食发声信号对比发现，虾塘信号特征与实验室中的相似，区别在于虾塘信号无在高频区域的次主峰。Abstract: Prawns will make noises passively when they eat. Investigating the effects of different particle sizes of pellet feed on the characteristics of feeding sound signals of L. vannamei can provide a theoretical basis for the application of automatic feeding based on feeding sound signals. With passive acoustic method, we recorded the acoustic signals of L. vannamei (Body length of 9−10 cm) feeding pellets of different sizes (0.4, 0.8 and 1.2 mm) in the laboratory. The results of the waveform, spectrogram and spectrum map reveal that the characteristics of feeding acoustic signals by feeding pellets of different sizes were similar, and the frequencies were 5−45 kHz. The spectral frequency peak of acoustic signals of the shrimps fed with pellets of 0.4 and 0.8 mm was about 17 kHz, and that of shrimps fed with pellets of 1.2 mm was about 10 kHz. In addition, there were obvious differences in the acoustic signals between feeding Nereis succinea and pellets. The frequency range of acoustic signals of feeding N. succinea was 5−45 kHz, and the spectral frequency peak was about 7 kHz. Finally, compared with the feeding acoustic signals of L. vannamei in farming pond, it is found that the signal characteristics collected in the pond were similar with those in the laboratory, and the only difference is that there was no secondary peak in the high frequency region of signals in the pond-cultured shrimp.
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甲壳动物会因繁衍、领地等行为而主动发声[1-3]，也会因为其他活动而被动发声，如游动、躲避天敌和进食[4-7]。它们有多种不同的发声机制，且随环境不同而变化。如枪虾 (Alpheus distinguendus) 利用大螯快速闭合发声[8-9]；某些龙虾会通过振动外壳或通过触角基部发声[10-11]；多刺龙虾 (Palinurus elephas) 可以产生宽频带的刺耳声；穴居螳螂虾 (Odontodactylus scyllarus) 在黎明和黄昏会发出有节奏的低频“隆隆”声[12-13]。甲壳动物尤其是对虾，是具有重大经济价值的水产养殖对象。在对虾养殖中，一般养殖密度大、水体透明度低，对虾摄食基本依赖于饲料托盘[14]，这不仅需要人工判断，并且所获得的饲料消耗情况具有局限性。近年来，被动声学技术逐渐开始应用于对虾养殖中的投喂与饲料管理。已有研究表明[6,15]，对虾的大颚末端钙化，在摄食活动中大颚相互碰撞和摩擦会发出“噼啪”声。由于声波在水中衰减小且不受水体浊度影响[16]，被动声学监测作为一种无干扰的声学方法，已成为研究包括对虾在内的生物发声的重要工具[6,17-20]。Reis等[13]结合凡纳滨对虾 (Litopenaeus vannamei) 养殖的声学投喂系统应用，指出在各种养殖环境 (水箱、池塘、生产系统)、饲养条件 (水深、水的透明度和水下光强度) 和不同放养密度下均能采集到对虾的摄食发声信息。
目前已有许多学者对凡纳滨对虾的发声信号特征进行了研究[18-19,21]。Silva等[5]利用立体显微镜对其大颚结构进行了解剖研究，进一步明确其摄食发声的机制。影响凡纳滨对虾摄食发声信号特征的因素有很多，如颗粒饲料的质地特性、饲料的粒径和长度、对虾的生长阶段。就颗粒饲料而言，饲料质地会影响大颚咀嚼的咬合力，从而影响摄食过程中产生信号的声学特征[6]。饲料的硬度和水分影响摄食发声信号特征，而饲料的浸泡时间影响声音强度[18,22]，对虾摄食添加了效应物的饲料速度更快、用时更短、单位时间内发声信号次数更多[23]。Peixoto等[19]通过凡纳滨对虾摄食不同长度的颗粒饲料 (粒径2.4 mm) 实验，发现不同饲料长度不会影响其摄食发声信号特征，仅影响单颗饲料的发声次数。澳大利亚AQ1声学反馈系统已应用于实际水产养殖中[24]，通过评估凡纳滨对虾养殖投饵效果，得出以被动声学方法的自动投喂效益更好[25-28]。国内凡纳滨对虾养殖多以虾塘的集约化养殖为主，饲料投喂基本根据经验估算，对于投喂量的控制仍未形成科学的评估体系[29]。有研究[30-32]确定了养殖虾塘的凡纳滨对虾摄食发声信号频率约介于4~15 kHz。虽然关于对虾摄食饲料发声已有大量研究，但均未考虑对虾摄食不同粒径颗粒饲料时声学信号特征是否改变。此外， Peixoto等[19]实验中使用的2.4 mm饲料不符合我国情况，且对虾不同生长阶段投喂的饲料粒径也不同，因此有必要针对我国常用的颗粒饲料粒径规格 (0.4、0.8和1.2 mm)，进一步判断饲料规格是否影响对虾的摄食发声信号特征。本研究结合水下摄影机获取的影像资料，在实验室中对同种体长的凡纳滨对虾投喂3种不同粒径的颗粒饲料，并通过声音采集装置记录其摄食发声，从而确定其声学信号特征，研究结果可为水产养殖中基于摄食发声信号的自动投喂等应用提供理论依据。
1. 材料与方法
1.1 实验设计
实验样本选自在舟山嵊泗大洋山养殖基地大池 (直径3.4 m、高1.2 m) 中养殖的凡纳滨对虾 (体长9~10 cm)，养殖水体温度、盐度、溶解氧和无机盐均维持在适宜范围内 (24 h持续充氧、温度28 ℃，盐度30‰)。实验前，将对虾在有增氧设备的暂养水箱 (44 cm×28 cm×30 cm) 中禁食约20 h，以确保实验过程中对虾的摄食欲望。实验的颗粒饲料粒径分别为0.4、0.8和1.2 mm。实验随机选取一组对虾 (3尾) 放入一个透明的声学实验玻璃水箱 (44 cm×28 cm×30 cm) 中，且保持与之前一致的条件，投喂一种类型饲料结束后，更换对虾进行下一种类型的饲料实验。实验水箱四周用黑色膜布包围，同时在水箱顶部加盖泡沫板以隔绝环境噪音干扰，由于对虾摄食时多在底部活动，因此水听器悬挂在玻璃水箱靠近底部约2/3的位置 (图1)。
摄像设备为大疆水下摄像机。声音采集系统由水听器和声学记录仪组成，水听器为HTI-96-Min水听器，频率最优范围为2 Hz~30 kHz (图2-a)；声音记录仪为生物声学记录仪SM4，记录带宽为20 Hz~48 kHz (图2-b)。水听器水平无指向性且带宽较大，能够满足对凡纳滨对虾声音采集的需求；SM4同时具有数据采集和数据存储功能，可以设置数据采集时间和采样频率等参数。
1.2 实验数据的采集
声音采集过程中关闭增氧机，设置SM4采样频率为96 000 Hz，数据储存为“.wav”格式。声音采集系统开启之后的前5 min不投饵，采集对虾摄食前声音，5 min后投饵，投饵位置在水听器附近，保证水听器可以采集到对虾的摄食声音，投饵后的采集时间为10 min。为判断凡纳滨对虾行为与声音的对应关系，并观察其进食不同粒径颗粒饲料的情况，在实验玻璃水箱中用摄像设备记录对虾的摄食，通过比较音频与视频信息，可以明确声音信号与其进食活动的关系。
采集信号后，发现声音信号存在一个难以去除的电干扰，但并不影响实验结果的分析。基于时域、频域和时频分析凡纳滨对虾的摄食信号的声学特性。在Matlab R2019b软件中，对时间序列信号通常采用傅里叶变换，得到摄食发声信号的时频分布，即信号的时频图[32]，并结合波形图和频谱图分析信号的声学特征，其中频谱图中的峰值对应的频率为谱峰中心频率[33]。
2. 结果
2.1 摄食发声信号的确定
在声音信号采集过程中，通过实时摄像发现凡纳滨对虾刚进入玻璃水箱时不断快速游动并伴随撞壁行为，随后3尾对虾逐渐适应静卧于水箱底部。信号采集开始5 min后，将饲料投入水箱 (水听器附近)，发现投饵后的短时间内，对虾开始攫取颗粒饲料，且非只攫取一颗饲料，而是抱取多个轮换咀嚼，此时能够检测到摄食发声信号。
通过观察采集到的各组信号波形图，在投饵前的5 min，几乎无发声信号。与影像进行对比，可以确定投饵后对虾开始游动寻找饲料，随后摄食并产生声音信号。由于投喂的饲料较少 (0.5 g)，在投饵后采集的10 min内无残留。对虾摄食过程中无环境声音干扰，因此可以确定该段时间采集到了对虾多次摄食发声信号。
2.2 不同颗粒饲料情况下凡纳滨对虾摄食发声信号分析
观察分析实验中采集的凡纳滨对虾摄食发声信号，以1 min为基准截取音频，对比投饵前后波形图和频谱图的相对声压级能量变化 (图3)。可以发现对虾摄食期间的能量高于非摄食期间，说明在摄食过程中产生了一定量的摄食发声信号。从确定摄食的波形图中挑选发声信号，放大320 s附近信号 (图4)，对应不同颗粒饲料情况均可确定对虾摄食发声信号。
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图 3 投饵前后波形图 (a) 和相对声压级 (b) 对比Fig. 3 Comparison of waveform (a) and relative sound pressure level (b) before and after feeding2.2.1 粒径0.4 mm的摄食发声信号特征
从图5的波形图可以发现，投饵前的5 min，发声信号非常少，投饵后发声信号数量显著增加，结合影像可以确定该时间内凡纳滨对虾存在频繁的摄食行为。从中选取发声信号放大观察 (图6)，可以确定摄食发声信号的时间宽度约介于8~10 ms，且观察对比波形，相似度很高。从图6的波形图中选取2个信号，观察其时频图 (图7)，发现摄食发声信号的频率介于5~45 kHz。
进一步对比5个波形信号对应的频谱 (图8-a)，发现频率介于5~45 kHz，谱峰中心频率多在17 kHz附近，其中0~10 kHz内的线谱是前文提到的电干扰。将选取信号的相对声压叠在同一个坐标上 (图8-b)，声音信号的频率范围重叠度很高，频率介于5~45 kHz，部分信号频谱在高频区域存在一个能量较低的次主峰。观察选取的5和10个信号相对声压的平均图 (图8-b)，可以进一步确定凡纳滨对虾进食0.4 mm的摄食发声信号频率介于5~45 kHz，其中5个信号的谱峰中心频率平均约17 kHz，10个信号的平均值略有降低，约16 kHz，高频区域存在一个次主峰。
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2.2.2 粒径0.8 mm的摄食发声信号特征
从对虾摄食0.8 mm饲料的波形图可以判断凡纳滨对虾摄食行为的发生，从中挑取两个毛刺信号进行傅立叶变换，画出对应信号的波形图和时频图 (图9)，观察到摄食粒径为0.8 mm的颗粒饲料的摄食发声信号频率介于5~45 kHz，谱峰中心频率介于15~20 kHz。选取5个摄食发声信号的频谱 (图10-a)，发现频率范围与时频图得到的结果一致，也有信号在高频区域存在次主峰。将选取信号的相对声压叠在同一个坐标轴上，频率范围重叠度较高，谱峰中心频率较为分散 (15~20 kHz)，结合图10-b中5个和10个信号的均值曲线，两个均值曲线差异不大，推测谱峰中心频率平均约17 kHz。
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图 9 摄食0.8 mm颗粒饲料的发声信号图 (上：波形图；下：时频图)Fig. 9 Acoustic signals of feeding pellets of 0.8 mm (Above: waveform; blow: spectrogram)2.2.3 粒径1.2 mm的摄食发声信号特征
同样从确定的摄食1.2 mm粒径的发声信号中选取两个信号，根据图11的波形和时频图可以判断，声音信号的频率介于5~45 kHz之间。观察5个摄食发声信号的频谱，如图12-a所示，发现也存在部分信号在高频区域出现次主峰。结合图12-b，可以发现所选取的信号频率范围相似度极高，并结合图中两组信号的均值曲线可以确定摄食1.2 mm粒径饲料的声音信号频率介于5~45 kHz，谱峰中心频率平均约为10 kHz。
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图 11 摄食1.2 mm颗粒饲料的发声信号图 (上：波形图；下：时频图)Fig. 11 Acoustic signals of feeding pellets of 1.2 mm (Above: waveform; blow: spectrogram)2.3 其他情况下对虾摄食发声信号分析
凡纳滨对虾的养殖过程中，除了会投喂不同规格的颗粒饲料，也会投喂沙蚕 (Nereis succinea) 等软体动物饲料补充营养物质。可能由于沙蚕自身的特性，对虾摄食沙蚕产生的声音信号较为复杂，个体间差异较大，本实验选取了一致性较好的5个信号。观察分析图13中对虾进食沙蚕的摄食发声信号，并结合图13-b的均值曲线，发现其频率范围较小 (5~20 kHz)，谱峰中心频率约7 kHz。颗粒饲料和沙蚕的摄食发声信号有明显区别，因此两者可以通过摄食发声信号的频率范围和谱峰中心频率加以区分。
此外，笔者采集了2020年8月养殖虾塘的对虾摄食发声信号，由对虾生长周期推测该时期虾塘中对虾的体长和生长状态与实验室所用对虾相近。通过分析其波形和频谱图 (图14)，可以看出虾塘对虾摄食发声信号的频率介于4~25 kHz，除了实验室中信号频谱有次主峰外，虾塘与实验室的对虾摄食发声信号的声学特征相似。
3. 讨论
凡纳滨对虾在投饵后产生了大量的摄食发声信号，摄食不同饲料 (如颗粒饲料、沙蚕)的信号特征存在差异，另外摄食不同粒径的颗粒饲料产生的发声信号时间宽度和频率范围相似，谱峰中心频率略有差异。不考虑实验室对虾摄食声音信号高频区域存在次主峰的情况下，虾塘对虾摄食信号的声学特征与实验室的相似，但也存在差异，可能与实验数据采集时两者对虾的生长阶段或大小分布不同及虾塘中存在其他饵料有关。
对虾摄食3种不同粒径饲料的波形图相似，信号时间宽度约8~10 ms，对比已有研究，信号时间宽度存在区别，这是因为对虾种类和发声机制不同，此外，实验所用水箱材质不同也有一定影响[5-6,13,18-19]。对虾摄食发声信号的频率介于5~45 kHz，其中摄食0.4和0.8 mm粒径饲料的发声信号谱峰中心频率约17 kHz，摄食1.2 mm粒径饲料约10 kHz；摄食3种不同粒径颗粒饲料的声音信号频谱中均有高频区域的次主峰。目前已有研究确定的凡纳滨对虾摄食发声信号频率范围有多个数值，Sliva等[5]实验中为3~35 kHz，而Peixoto等[18-19]实验中确定为3~48 kHz，均与本文结果有些许差异，可能与所使用的对虾生长阶段不同有关。另外，实验室中对虾进食沙蚕的发声信号频率介于5~20 kHz，谱峰中心频率在7 kHz附近，因此可以与摄食颗粒饲料的信号区分，具体发声信号特征参数对比见表1。
表 1 不同情况下凡纳滨对虾摄食发声信号特征Table 1 Characteristics of acoustic signals of L. vannamei in different situations实验室和虾塘中生长阶段和体长相近的对虾摄食发声信号特征具有较高的相似性，区别在于虾塘信号频谱中高频区域无次主峰出现，可能与实验室使用玻璃水箱信号存在一定的反射和失真有关，另外考虑到实验室与虾塘采集信号过程中录音环境的影响，凡纳滨对虾与水听器的位置也可能导致两处采集到的对虾发声信号存在差异。此外本文确定的虾塘对虾摄食发声信号频率介于4~25 kHz，谱峰中心频率为7 kHz，与现有研究[30-32]中确定的4~15 kHz的频率范围不同，这可能与两者数据采集时对虾的生长阶段或大小分布不同有关。然而，结合对虾摄食沙蚕的声音信号特征，在后续虾塘的摄食发声分析中要考虑声音信号是对虾进食其他饲料 (如沙蚕和死虾) 产生的可能性。
Peixoto等 [18]提出颗粒饲料在水中的浸泡时长并不影响对虾摄食发声信号特征。本实验中摄食发声信号特征存在微小变化，但对虾快速轮换饲料颗粒摄食时间较短，无法确定颗粒饲料软化破碎过程的影响，后续可以进一步细化实验分析。另外，在实验影像中观察到对虾弹射，初步分析发现其声音特征与摄食声音特征差异较大，但还有待进一步研究其声音信号的稳定性，特别是养殖现场中的对虾应激行为发声需要进一步区分，以便拓展应用。由于实验对虾经过饥饿处理且投喂饲料较少，可以马上检测到发声信号、投饵后10 min饵料已无残留，而池塘中的对虾在投饵后2 min才检测到发声信号[6]，说明实验环境有利于对虾找到饲料并摄食，实际中集群对虾的摄食发声能量和摄食量的变化仍有待进一步确定。为了在水产养殖中利用摄食发声信号实现自动投喂，未来还需进一步研究不同生长阶段凡纳滨对虾摄食发声信号的特征及其在应激情况下的发声情况。
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图 3 投饵前后波形图 (a) 和相对声压级 (b) 对比
Figure 3. Comparison of waveform (a) and relative sound pressure level (b) before and after feeding
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图 9 摄食0.8 mm颗粒饲料的发声信号图 (上：波形图；下：时频图)
Figure 9. Acoustic signals of feeding pellets of 0.8 mm (Above: waveform; blow: spectrogram)
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图 11 摄食1.2 mm颗粒饲料的发声信号图 (上：波形图；下：时频图)
Figure 11. Acoustic signals of feeding pellets of 1.2 mm (Above: waveform; blow: spectrogram)
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图 14 养殖虾塘的对虾摄食发声信号
Figure 14. Acoustic signals of feeding pellets in shrimp farming pond
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