基于聲發射信號的水質生物安全監測

王涵青，葛世軼，趙駿*

（1. 杭州市下城區大成岳家灣實驗學校，浙江 杭州 310006；2. 浙江大學化學工程與生物工程學院，浙江 杭州 310027）

基于聲發射信號的水質生物安全監測

王涵青1，葛世軼2，趙駿1*

（1. 杭州市下城區大成岳家灣實驗學校，浙江 杭州 310006；2. 浙江大學化學工程與生物工程學院，浙江 杭州 310027）

通過采集污染水質中泥鰍應激行為的聲波信號，結合視頻分析聲波信號譜圖，獲得了代表泥鰍不同應激行為的特征峰。根據各特征峰的時間，將泥鰍的應激行為分為回避、安靜、躁動、跳躍、瀕死五個階段。在此基礎上，考察了在米醋質量濃度分別為0.6%、0.9%、1.2%、1.5%、1.8%下泥鰍應激行為的聲波信號能量，發現泥鰍跳躍階段其跳躍產生的聲波信號能量平均值隨水質污染程度的加劇呈線性增加，由此得到水質污染的聲發射預測模型，從而建立了一種綠色環保、實時在線、簡單可靠的基于聲發射信號的水質生物安全監測方法。

水質；生物監測；聲波；應激行為

水是地球上生命賴以存活的重要資源之一，但隨人類物質文明的發展，江、河、湖、海等不斷遭受污染的侵害，水體污染成為迫切需要解決的問題。污染的水體會破壞土壤，影響農作物的生長，造成減產，還危及水生生物的生長和繁衍，致使魚蝦大量減產、死亡，甚至種群消亡，給農業、漁業帶來巨大的經濟損失。因此，尋找一種能夠實時在線檢測從而實現提前預警的水質檢測方法，對保護環境，減少因水體污染而造成的經濟損失具有重要意義。

目前對水樣進行化學分析可以準確檢測出目標污染物的含量，但由于污染物的種類繁多，這種對水樣進行化學分析的技術無法迅速確定主要污染物質，也難以檢測某些不明污染物。同時，現有的理化監測儀器檢測方法具有耗時長、檢測費用高、無法實現實時在線監測等缺陷[1]，因此采用生物方法監測水質狀況日益受到重視[2]。

魚類行為變化檢測是一種有效的水質生物監測和預警手段[3]，目前已有研究者在水廠取水口放養青魚，通過微型攝像機的跟蹤、觀察魚的游動特性監控水體污染[4-5]。然而，采用視覺傳感器（即攝像方式）捕獲魚類游泳異常行為的方法，其圖像處理和識別較為復雜[6]，而且在光線不足時，影響檢測效果，誤判時有發生。因此，亟待提出能監控生物應激反應的綠色環保、實時在線、簡單可靠的水質生物安全在線監測方法。

聲波是聲音的傳播形式，由聲源振動產生，其本質是能量的傳遞過程。聲波信號則表示一個或多個聲源振動事件經傳感器接收并經系統處理后以某種形式出現的電信號。聲發射（acoustic emission，AE）檢測技術通過接收和分析過程中發出的聲波信號，并與過程中的某些重要參數相關聯，從而實現對過程中這些重要參數的檢測和監控[7]。該技術具有檢測靈敏、環保安全和實時在線等特點[8]。本文利用聲發射檢測技術，實時采集污染水質中泥鰍應激行為的聲波信號并對其進行分析，研究泥鰍應激行為與聲波信號的關系以及信號中的特征變量隨水質污染程度的變化規律，從而找到一種利用聲發射檢測技術的水質生物安全在線監測方法。

1 實驗裝置及方法

1.1 實驗裝置

本文所用實驗裝置如圖1所示，由生態模擬系統和聲發射檢測系統組成。生態模擬系統主要包括水、塑料水桶和污染物質。實驗采用米醋作為主要污染物質。聲發射檢測系統由聲發射檢測探頭（AE144S，Fuji Ceramics Corp.）、信號一級放大器、信號二級放大器、數據采集卡（USB-6351，NI）和計算機組成。在實驗過程中，聲波信號的采樣頻率為1000 Hz。

為獲得較大強度的水面波動信號，將聲發射檢測探頭安裝在外桶壁上，其上部與水面相切。為避免外界震動對實驗過程中聲波信號的采集造成干擾，在水桶下方放置緩沖軟墊。實驗通過向水中加入米醋來模擬水污染過程，為了更清楚地觀察米醋在水中的擴散情況，在米醋中加紅墨水以示蹤。

圖1 實驗裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram ofexperimentalapparatus

1.2 實驗方法

取5條健康、體形體重相近的泥鰍，分別編號1～5。按表1進行5組實驗。

表1 米醋加入量Tab.1 Vinegar amount

具體實驗方案如下：

（1）首先用塑料水桶盛5 kg清水，在其中放入一條泥鰍；

（2）等待泥鰍安靜且水面不再波動，然后開始連續采集聲波信號，同時用攝像設備對泥鰍的應激行為進行記錄；

（3）信號采集5 min后，敲擊水桶壁作為加醋信號，同時向水中加入混有2 mL紅墨水作為示蹤劑的米醋，米醋加入量參考表1，米醋加入位置盡量遠離泥鰍；

（4）錄像和信號采集時間為30 min，其間若泥鰍腹部朝上且100 s內都無任何動作，則判斷泥鰍死亡，停止采集信號和錄像；

（5）清洗水桶，改變米醋加入量，重復上述過程。

2 結果與討論

2.1 泥鰍應激行為與聲波信號的關系

圖2為3號泥鰍的聲波信號譜圖。圖中t0= 298 s處，手指在桶壁上的敲擊使得聲波信號譜圖上出現了一個向下的峰，以此峰作為標記，可吻合聲波信號譜圖與錄像視頻的時間。結合錄像，分析聲波信號譜圖與泥鰍行為的關系，得到t1～t5五個特征時刻：

（1）t1=301 s處有特征峰，為向水中加米醋所致，見圖3的t1；

（2）t2=307 s處有特征峰，當加入水中的米醋擴散至泥鰍附近時，泥鰍受到刺激而逃離導致此峰，見圖3的t2。此峰也指示泥鰍開始接觸米醋；

（3）t3=487 s處有特征峰，為泥鰍開始到處游動并用頭部撞擊桶壁所致，見圖3的t3。此峰說明泥鰍開始出現初步的不適感；

（4）t4=1022 s處有特征峰，為泥鰍奮力甩動身體跳出水面后又落回水里所致，見圖3的t4。此峰說明泥鰍開始出現強烈的不適感和恐慌；

（5）t5=1710 s處雖然無峰，但通過錄像發現此時泥鰍在上一次跳水后其腹部朝上，沉入水底且長時間無任何反應，見圖3的t5。

圖2 泥鰍應激行為的聲波信號譜圖（米醋質量濃度1.2%）Fig.2 The acoustic signalspectrum ofloach’s stress behavior（mass concentration of vinegar 1.2%）

通過這五個特征時刻可以將加醋后泥鰍的行為分為以下幾個階段：

（1）回避階段：t1～t2，即從加醋到泥鰍與米醋接觸并做出回避行為。在污染物米醋脅迫初期，泥鰍的游動強度增大，試圖逃避污染。這種通過行為機制來適應環境變化的回避反應導致泥鰍的行為強度發生變化，從而可以被聲發射檢測技術檢測到。

（2）安靜階段：t2～t3，即泥鰍逃避污染后又安靜下來的時間段。回避階段之后，通過對自身行為和生理機能的調節，泥鰍逐漸適應了外界環境的壓力，其行為強度降低至暴露于污染物前水平。

（3）躁動階段：t3～t4，即泥鰍開始到處游動的時間段。由于在1.2%米醋中暴露了近3 min，污染物在泥鰍體內積累，毒性效應表現出來，泥鰍產生了初步的不適感，開始到處游動并用頭部撞擊桶壁，試圖鉆洞躲避受污染的環境，其行為強度再次增大，導致聲波信號幅值增大。

（4）跳躍階段：t4～t5。在此階段，由于長時間暴露于含米醋的水中，毒性效應程度加深，泥鰍產生了強烈的不適感，因此采用跳出水面的方法來逃離這個被污染的環境，此階段其行為強度最大。

（5）瀕死階段：t5之后。由于毒性效應完全爆發，泥鰍在t5時刻腹部朝上，沉入水底，且在之后的1 min內無任何動作。但在約100 s后，泥鰍又再度“醒來”，繼續跳水若干次，而后又腹部朝上，沉入水底。t5在譜圖上難以準確讀取，需要通過錄像分析得到。

圖3 各階段泥鰍應激行為的錄像截圖Fig.3 Video screenshots ofloach’s stress behavior in each stage

2.2 不同水質下泥鰍應激行為的聲波效應

圖4對比了不同米醋濃度下泥鰍應激行為的聲波信號譜圖形狀，結果顯示，當米醋濃度為0.6%時，聲波信號譜圖上只能看到t1和t2對應的特征峰，即只有回避階段和安靜階段；增大米醋濃度至0.9%及以上時，聲波信號譜圖上可以清楚地分辨出t1、t2、t3和t4對應的特征峰。

圖4 不同米醋質量濃度下泥鰍應激行為的聲波信號譜圖Fig.4 Acoustic signalspectrum of loach’s stress behavior in different mass concentration ofvinegar

當在聲波信號譜圖上找到t1、t2、t3和t4對應的特征峰后，各特征峰的橫坐標即為對應的t1、t2、t3和t4的值。針對加醋后泥鰍五個階段的反應行為，利用聲發射檢測技術，探究這幾個階段的時間長度與米醋濃度的關系。取各米醋濃度下（t3-t2），（t4-t3），（t4-t2）作對比。這三個時間差的含義分別為：

（1）（t3-t2）為從泥鰍與米醋接觸到其開始躁動的時間間隔，即泥鰍出現初步的不適感所需的時間；

（2）（t4-t3）為從泥鰍開始躁動到其開始跳水的時間間隔，即泥鰍從初步的不適感到強烈的不適感所需的時間；

（3）（t4-t2）為從泥鰍與米醋接觸到其開始跳水的時間間隔，即泥鰍出現強烈的不適感所需的時間。

表2 不同米醋濃度下泥鰍各階段應激行為的時間長度Tab.2 Time ofeach stage ofloach’s stress behavior in different mass concentration ofvinegar

表2對比了不同米醋濃度下泥鰍各階段的時間長度。結果顯示，隨著米醋濃度的增大，泥鰍出現初步的不適感所需的時間、從初步的不適感到強烈的不適感所需的時間以及出現強烈的不適感所需的時間均無明顯的規律。泥鰍的個體差異對此實驗結果影響較大。有的泥鰍對米醋敏感，其在較低米醋濃度下就感到了強烈的不適，而有的泥鰍對米醋不敏感，其在較高米醋濃度下也能忍受相當長的時間。因此，若需要更準確合理地研究米醋濃度與泥鰍各階段時間長度的關系，需要進行大量的實驗來消除個體差異。

2.3 不同水質下泥鰍應激行為的聲波能量

泥鰍應激行為的聲波信號譜圖中，跳躍階段是信號最強、特征最明顯的階段。取前5 min清水中的聲波信號能量的平均值作為基準值。為準確計算泥鰍跳躍的聲波信號能量，排除泥鰍游動、泥鰍跳躍入水后水面持續波動造成的干擾，需設定一個閾值，當聲波信號能量值與基準值之差大于閾值時，判定泥鰍跳躍。本文取閾值為0.8 V，計算泥鰍跳躍階段聲波信號譜圖中與基準值相差超過0.8 V的所有峰的能量平均值。

圖5對比了不同米醋濃度下，跳躍階段前5 min內其跳躍的聲波信號能量的平均值。結果顯示，0.6%質量濃度的米醋沒有達到讓泥鰍跳出水面的臨界值，因此能量平均值為零；米醋濃度0.9%及以上時，泥鰍表現出跳躍行為，且其能量平均值隨著米醋濃度的增大而線性增大。這表明泥鰍對水質的污染程度有一個耐受值，低于此值則對泥鰍無影響；高于此值，泥鰍會表現出逃離此污染環境的行為，且污染程度越高，泥鰍逃離的欲望越強烈。由此建立水質污染聲發射預測模型如式（1）所示：

其中C為水質中米醋的質量百分濃度，E0為聲波信號能量基準值，取清水中前5 min的聲波信號能量的平均值，Ei為聲波信號譜圖中與基準值相差超過所設閾值的峰的能量值，n為聲波信號譜圖中與基準值相差超過所設閾值的峰的個數?；谒|污染預測模型，利用聲發射檢測技術可實現對水質生物安全的在線監測。

圖5 不同米醋濃度下泥鰍跳躍的聲波信號能量平均值Fig.5 The average acoustic signalenergy of loach’s jump in different mass concentration of vinegar

3 結論

（1）基于聲發射檢測技術，結合聲波信號譜圖與視頻分析，得到了污染水質中泥鰍的應激行為與產生的聲波信號之間的關系，根據聲波信號譜圖上的特征峰，將污染水質中泥鰍的應激行為分成回避、安靜、躁動、跳躍、瀕死五個階段。

（2）以聲波信號譜圖上各特征峰間的時間間隔為特征參數，考察泥鰍應激行為各階段的時間長度隨水質污染程度的變化規律。結果表明，在不同水質污染程度的實驗中，泥鰍各階段應激行為的時間長度與水質污染程度無明顯規律。

（3）考察了泥鰍跳躍階段時其跳躍產生的聲波信號能量平均值隨水質污染程度的變化規律。結果表明，泥鰍對水質的污染程度有一個耐受值，高于此值，泥鰍表現出跳躍行為，其跳躍的聲波信號能量平均值隨水質污染程度的增加而線性增大，基于此得到了水質污染的聲發射預測模型，從而建立了一種根據聲波信號來檢測水質污染程度并提前預警的水質生物安全在線監測方法。

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[2]程英，裴宗平，鄧霞，等.生物監測在水環境中的應用及存在問題探討[J].環境科學與管理，2008，33（2）:111-114.

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[4]任宗明，饒凱鋒，王子健.水質安全在線生物預警技術及研究進展[J].供水技術，2008，（1）：5-7.

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[6]王麗娜.基于動態圖像理解的水質生物監測系統研究與應用[D].杭州：杭州電子科技大學，2011.

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Water Quality Bio-monitoring Based on Acoustic Signal Detection

WANG Han-qing1, GE Shi-yi2, ZHAO Jun1*
（1. Dachengyuejiawan Middle School, Hangzhou, Zhejiang 310006, China;2. Department of Chemical and Biochemical Engineering, Zhejiang University,Hangzhou, Zhejiang 310027, China）

Signals emitted from loach in polluted water were collected and the characteristic peaks onthe acoustic signal spectrum representing different stress behavior of loach were obtained by video analysis. Loach’s stress behavior can be divided into five stages:avoiding，silence，dysphoria，jumping and dying. The acoustic signal energy of stress behavior in each stage was investigated in the vinegar-polluted water with mass concentration of vinegar range from 0.6%to 1.8%.Results showed that the average acoustic signal energy of loach’s jump in its jumping stage varied linearly with the vinegar concentration of polluted water. Then a forecasting model of water pollution degree was proposed and a method for on-line monitoring of water quality and biological safety was established.

water quality；bio-monitoring；acoustic wave；stress behavior

1006-4184（2017）4-0039-06

2016-08-25

王涵青（2002-），女，杭州人。

*通訊作者：趙駿（1978-），男，中學一級教師，曾獲得杭州市優秀教師、下城區“十佳輕負高質”教師、區教壇新秀等榮譽稱號，從事科學教學與競賽指導工作。E-mail:zhaojdc0608@163.com。