基于声发射信号的水质生物安全监测

王涵青，葛世轶，赵骏*

（1. 杭州市下城区大成岳家湾实验学校，浙江 杭州 310006；2. 浙江大学化学工程与生物工程学院，浙江 杭州 310027）

基于声发射信号的水质生物安全监测

王涵青1，葛世轶2，赵骏1*

（1. 杭州市下城区大成岳家湾实验学校，浙江 杭州 310006；2. 浙江大学化学工程与生物工程学院，浙江 杭州 310027）

通过采集污染水质中泥鳅应激行为的声波信号，结合视频分析声波信号谱图，获得了代表泥鳅不同应激行为的特征峰。根据各特征峰的时间，将泥鳅的应激行为分为回避、安静、躁动、跳跃、濒死五个阶段。在此基础上，考察了在米醋质量浓度分别为0.6%、0.9%、1.2%、1.5%、1.8%下泥鳅应激行为的声波信号能量，发现泥鳅跳跃阶段其跳跃产生的声波信号能量平均值随水质污染程度的加剧呈线性增加，由此得到水质污染的声发射预测模型，从而建立了一种绿色环保、实时在线、简单可靠的基于声发射信号的水质生物安全监测方法。

水质；生物监测；声波；应激行为

水是地球上生命赖以存活的重要资源之一，但随人类物质文明的发展，江、河、湖、海等不断遭受污染的侵害，水体污染成为迫切需要解决的问题。污染的水体会破坏土壤，影响农作物的生长，造成减产，还危及水生生物的生长和繁衍，致使鱼虾大量减产、死亡，甚至种群消亡，给农业、渔业带来巨大的经济损失。因此，寻找一种能够实时在线检测从而实现提前预警的水质检测方法，对保护环境，减少因水体污染而造成的经济损失具有重要意义。

目前对水样进行化学分析可以准确检测出目标污染物的含量，但由于污染物的种类繁多，这种对水样进行化学分析的技术无法迅速确定主要污染物质，也难以检测某些不明污染物。同时，现有的理化监测仪器检测方法具有耗时长、检测费用高、无法实现实时在线监测等缺陷[1]，因此采用生物方法监测水质状况日益受到重视[2]。

鱼类行为变化检测是一种有效的水质生物监测和预警手段[3]，目前已有研究者在水厂取水口放养青鱼，通过微型摄像机的跟踪、观察鱼的游动特性监控水体污染[4-5]。然而，采用视觉传感器（即摄像方式）捕获鱼类游泳异常行为的方法，其图像处理和识别较为复杂[6]，而且在光线不足时，影响检测效果，误判时有发生。因此，亟待提出能监控生物应激反应的绿色环保、实时在线、简单可靠的水质生物安全在线监测方法。

声波是声音的传播形式，由声源振动产生，其本质是能量的传递过程。声波信号则表示一个或多个声源振动事件经传感器接收并经系统处理后以某种形式出现的电信号。声发射（acoustic emission，AE）检测技术通过接收和分析过程中发出的声波信号，并与过程中的某些重要参数相关联，从而实现对过程中这些重要参数的检测和监控[7]。该技术具有检测灵敏、环保安全和实时在线等特点[8]。本文利用声发射检测技术，实时采集污染水质中泥鳅应激行为的声波信号并对其进行分析，研究泥鳅应激行为与声波信号的关系以及信号中的特征变量随水质污染程度的变化规律，从而找到一种利用声发射检测技术的水质生物安全在线监测方法。

1 实验装置及方法

1.1 实验装置

本文所用实验装置如图1所示，由生态模拟系统和声发射检测系统组成。生态模拟系统主要包括水、塑料水桶和污染物质。实验采用米醋作为主要污染物质。声发射检测系统由声发射检测探头（AE144S，Fuji Ceramics Corp.）、信号一级放大器、信号二级放大器、数据采集卡（USB-6351，NI）和计算机组成。在实验过程中，声波信号的采样频率为1000 Hz。

为获得较大强度的水面波动信号，将声发射检测探头安装在外桶壁上，其上部与水面相切。为避免外界震动对实验过程中声波信号的采集造成干扰，在水桶下方放置缓冲软垫。实验通过向水中加入米醋来模拟水污染过程，为了更清楚地观察米醋在水中的扩散情况，在米醋中加红墨水以示踪。

图1 实验装置示意图Fig.1 Schematic diagram ofexperimentalapparatus

1.2 实验方法

取5条健康、体形体重相近的泥鳅，分别编号1～5。按表1进行5组实验。

表1 米醋加入量Tab.1 Vinegar amount

具体实验方案如下：

（1）首先用塑料水桶盛5 kg清水，在其中放入一条泥鳅；

（2）等待泥鳅安静且水面不再波动，然后开始连续采集声波信号，同时用摄像设备对泥鳅的应激行为进行记录；

（3）信号采集5 min后，敲击水桶壁作为加醋信号，同时向水中加入混有2 mL红墨水作为示踪剂的米醋，米醋加入量参考表1，米醋加入位置尽量远离泥鳅；

（4）录像和信号采集时间为30 min，其间若泥鳅腹部朝上且100 s内都无任何动作，则判断泥鳅死亡，停止采集信号和录像；

（5）清洗水桶，改变米醋加入量，重复上述过程。

2 结果与讨论

2.1 泥鳅应激行为与声波信号的关系

图2为3号泥鳅的声波信号谱图。图中t0= 298 s处，手指在桶壁上的敲击使得声波信号谱图上出现了一个向下的峰，以此峰作为标记，可吻合声波信号谱图与录像视频的时间。结合录像，分析声波信号谱图与泥鳅行为的关系，得到t1～t5五个特征时刻：

（1）t1=301 s处有特征峰，为向水中加米醋所致，见图3的t1；

（2）t2=307 s处有特征峰，当加入水中的米醋扩散至泥鳅附近时，泥鳅受到刺激而逃离导致此峰，见图3的t2。此峰也指示泥鳅开始接触米醋；

（3）t3=487 s处有特征峰，为泥鳅开始到处游动并用头部撞击桶壁所致，见图3的t3。此峰说明泥鳅开始出现初步的不适感；

（4）t4=1022 s处有特征峰，为泥鳅奋力甩动身体跳出水面后又落回水里所致，见图3的t4。此峰说明泥鳅开始出现强烈的不适感和恐慌；

（5）t5=1710 s处虽然无峰，但通过录像发现此时泥鳅在上一次跳水后其腹部朝上，沉入水底且长时间无任何反应，见图3的t5。

图2 泥鳅应激行为的声波信号谱图（米醋质量浓度1.2%）Fig.2 The acoustic signalspectrum ofloach’s stress behavior（mass concentration of vinegar 1.2%）

通过这五个特征时刻可以将加醋后泥鳅的行为分为以下几个阶段：

（1）回避阶段：t1～t2，即从加醋到泥鳅与米醋接触并做出回避行为。在污染物米醋胁迫初期，泥鳅的游动强度增大，试图逃避污染。这种通过行为机制来适应环境变化的回避反应导致泥鳅的行为强度发生变化，从而可以被声发射检测技术检测到。

（2）安静阶段：t2～t3，即泥鳅逃避污染后又安静下来的时间段。回避阶段之后，通过对自身行为和生理机能的调节，泥鳅逐渐适应了外界环境的压力，其行为强度降低至暴露于污染物前水平。

（3）躁动阶段：t3～t4，即泥鳅开始到处游动的时间段。由于在1.2%米醋中暴露了近3 min，污染物在泥鳅体内积累，毒性效应表现出来，泥鳅产生了初步的不适感，开始到处游动并用头部撞击桶壁，试图钻洞躲避受污染的环境，其行为强度再次增大，导致声波信号幅值增大。

（4）跳跃阶段：t4～t5。在此阶段，由于长时间暴露于含米醋的水中，毒性效应程度加深，泥鳅产生了强烈的不适感，因此采用跳出水面的方法来逃离这个被污染的环境，此阶段其行为强度最大。

（5）濒死阶段：t5之后。由于毒性效应完全爆发，泥鳅在t5时刻腹部朝上，沉入水底，且在之后的1 min内无任何动作。但在约100 s后，泥鳅又再度“醒来”，继续跳水若干次，而后又腹部朝上，沉入水底。t5在谱图上难以准确读取，需要通过录像分析得到。

图3 各阶段泥鳅应激行为的录像截图Fig.3 Video screenshots ofloach’s stress behavior in each stage

2.2 不同水质下泥鳅应激行为的声波效应

图4对比了不同米醋浓度下泥鳅应激行为的声波信号谱图形状，结果显示，当米醋浓度为0.6%时，声波信号谱图上只能看到t1和t2对应的特征峰，即只有回避阶段和安静阶段；增大米醋浓度至0.9%及以上时，声波信号谱图上可以清楚地分辨出t1、t2、t3和t4对应的特征峰。

图4 不同米醋质量浓度下泥鳅应激行为的声波信号谱图Fig.4 Acoustic signalspectrum of loach’s stress behavior in different mass concentration ofvinegar

当在声波信号谱图上找到t1、t2、t3和t4对应的特征峰后，各特征峰的横坐标即为对应的t1、t2、t3和t4的值。针对加醋后泥鳅五个阶段的反应行为，利用声发射检测技术，探究这几个阶段的时间长度与米醋浓度的关系。取各米醋浓度下（t3-t2），（t4-t3），（t4-t2）作对比。这三个时间差的含义分别为：

（1）（t3-t2）为从泥鳅与米醋接触到其开始躁动的时间间隔，即泥鳅出现初步的不适感所需的时间；

（2）（t4-t3）为从泥鳅开始躁动到其开始跳水的时间间隔，即泥鳅从初步的不适感到强烈的不适感所需的时间；

（3）（t4-t2）为从泥鳅与米醋接触到其开始跳水的时间间隔，即泥鳅出现强烈的不适感所需的时间。

表2 不同米醋浓度下泥鳅各阶段应激行为的时间长度Tab.2 Time ofeach stage ofloach’s stress behavior in different mass concentration ofvinegar

表2对比了不同米醋浓度下泥鳅各阶段的时间长度。结果显示，随着米醋浓度的增大，泥鳅出现初步的不适感所需的时间、从初步的不适感到强烈的不适感所需的时间以及出现强烈的不适感所需的时间均无明显的规律。泥鳅的个体差异对此实验结果影响较大。有的泥鳅对米醋敏感，其在较低米醋浓度下就感到了强烈的不适，而有的泥鳅对米醋不敏感，其在较高米醋浓度下也能忍受相当长的时间。因此，若需要更准确合理地研究米醋浓度与泥鳅各阶段时间长度的关系，需要进行大量的实验来消除个体差异。

2.3 不同水质下泥鳅应激行为的声波能量

泥鳅应激行为的声波信号谱图中，跳跃阶段是信号最强、特征最明显的阶段。取前5 min清水中的声波信号能量的平均值作为基准值。为准确计算泥鳅跳跃的声波信号能量，排除泥鳅游动、泥鳅跳跃入水后水面持续波动造成的干扰，需设定一个阈值，当声波信号能量值与基准值之差大于阈值时，判定泥鳅跳跃。本文取阈值为0.8 V，计算泥鳅跳跃阶段声波信号谱图中与基准值相差超过0.8 V的所有峰的能量平均值。

图5对比了不同米醋浓度下，跳跃阶段前5 min内其跳跃的声波信号能量的平均值。结果显示，0.6%质量浓度的米醋没有达到让泥鳅跳出水面的临界值，因此能量平均值为零；米醋浓度0.9%及以上时，泥鳅表现出跳跃行为，且其能量平均值随着米醋浓度的增大而线性增大。这表明泥鳅对水质的污染程度有一个耐受值，低于此值则对泥鳅无影响；高于此值，泥鳅会表现出逃离此污染环境的行为，且污染程度越高，泥鳅逃离的欲望越强烈。由此建立水质污染声发射预测模型如式（1）所示：

其中C为水质中米醋的质量百分浓度，E0为声波信号能量基准值，取清水中前5 min的声波信号能量的平均值，Ei为声波信号谱图中与基准值相差超过所设阈值的峰的能量值，n为声波信号谱图中与基准值相差超过所设阈值的峰的个数。基于水质污染预测模型，利用声发射检测技术可实现对水质生物安全的在线监测。

图5 不同米醋浓度下泥鳅跳跃的声波信号能量平均值Fig.5 The average acoustic signalenergy of loach’s jump in different mass concentration of vinegar

3 结论

（1）基于声发射检测技术，结合声波信号谱图与视频分析，得到了污染水质中泥鳅的应激行为与产生的声波信号之间的关系，根据声波信号谱图上的特征峰，将污染水质中泥鳅的应激行为分成回避、安静、躁动、跳跃、濒死五个阶段。

（2）以声波信号谱图上各特征峰间的时间间隔为特征参数，考察泥鳅应激行为各阶段的时间长度随水质污染程度的变化规律。结果表明，在不同水质污染程度的实验中，泥鳅各阶段应激行为的时间长度与水质污染程度无明显规律。

（3）考察了泥鳅跳跃阶段时其跳跃产生的声波信号能量平均值随水质污染程度的变化规律。结果表明，泥鳅对水质的污染程度有一个耐受值，高于此值，泥鳅表现出跳跃行为，其跳跃的声波信号能量平均值随水质污染程度的增加而线性增大，基于此得到了水质污染的声发射预测模型，从而建立了一种根据声波信号来检测水质污染程度并提前预警的水质生物安全在线监测方法。

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[2]程英，裴宗平，邓霞，等.生物监测在水环境中的应用及存在问题探讨[J].环境科学与管理，2008，33（2）:111-114.

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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。

*通讯作者：赵骏（1978-），男，中学一级教师，曾获得杭州市优秀教师、下城区“十佳轻负高质”教师、区教坛新秀等荣誉称号，从事科学教学与竞赛指导工作。E-mail:zhaojdc0608@163.com。