麻點豹天牛幼蟲取食和爬行的聲發(fā)射信號特征1)

張少春 熊鑫鑫 朱代根 鄧婷婷 李明

(西南林業(yè)大學(xué)，昆明，650224)(安徽工程大學(xué))

在森林保護中，蛀干害蟲幼蟲鉆蛀樹木樹干的情況日益嚴(yán)重，其幼蟲對活立木造成的破壞幾乎是不可逆的。常見的蛀干害蟲有天牛類、小蠹蟲類、吉丁類等[1]，其中天牛類蛀干害蟲危害較為嚴(yán)重。目前世界已知天牛種類有35 000多種，我國已有記載的達3 000多種[2]。因此，實現(xiàn)對天牛類蛀蟲的早期辨識對于樹木病蟲害防治具有積極的作用。

早在20紀(jì)末，程驚秋[3]用加速傳感器，對桔褐天牛幼蟲和桑粒肩天牛幼蟲的聲信號進行了波形和頻譜的分析,初步研究了天牛幼蟲的聲行為特征。21世紀(jì)初，韋雪青等[4]總結(jié)了昆蟲聲音監(jiān)測史，并闡述了害蟲聲音檢測技術(shù)的優(yōu)勢。Goerlitz et al.[5]通過特制電容麥克風(fēng)對昆蟲爬行聲信號檢測，研究了昆蟲在不同基質(zhì)上爬行發(fā)出的聲音。Chesmore D et al.[6]對早期聲學(xué)檢測設(shè)備的改進設(shè)計，發(fā)現(xiàn)蛀干害蟲具有獨特的攝食特性，可用此特性識別昆蟲的物種。許小芳等[7]在消音裝置中采集蠹蟲的聲信號，并對其除噪，提取有效信號并對其進行頻譜分析，得到幾種蠹蟲聲活動的主頻。卜宇飛等[8]利用聲音偵聽技術(shù)對星天牛幼蟲和光肩星天牛幼蟲的4種聲行為的特征研究，發(fā)現(xiàn)天牛幼蟲在取食行為下產(chǎn)生的聲信號頻率高。信號的頻率和能量可以判斷出害蟲的活動行為。后來，Watanabe H et al.[9]又利用聲發(fā)射無損檢測技術(shù)證實了竹粉虱幼蟲和成蟲在進食階段都會產(chǎn)生AE信號，并用聲發(fā)射作為非破壞工具來監(jiān)測這種昆蟲的取食行為。豆春峰等[10]利用AE技術(shù)研究了麻點豹天牛幼蟲在1 d中的活躍性，發(fā)現(xiàn)害蟲的信號能量可以反映出其活躍程度，通過害蟲的活躍時段對其進行防治。以上研究表明了聲發(fā)射技術(shù)在檢測樹木鉆蛀性害蟲方面的巨大潛力，為蛀干害蟲的實時動態(tài)監(jiān)測提供了一種行之有效的方法。但國內(nèi)利用聲發(fā)射技術(shù)檢測蛀干害蟲的研究較少。

本文以寄生在楊樹中的麻點豹天牛幼蟲為研究對象，利用AE技術(shù)研究其不同生物學(xué)行為下的聲學(xué)特征。主要內(nèi)容為模擬天牛幼蟲的蛀道，并采集天牛幼蟲在蛀道中取食和爬行時所產(chǎn)生AE信號，然后對采集到的原始信號進行頻譜分析，利用頻域特征辨識幼蟲的生物學(xué)行為，基于AE信號能量統(tǒng)計分析幼蟲在不同生物學(xué)行為下的活性。對以后研究蛀干害蟲提供參考。

1 材料與方法

針對麻點豹天牛對楊樹破壞的問題，本研究試驗樣本(包括天牛幼蟲及楊樹段)均取自云南省昆明市盤龍區(qū)郊區(qū)金殿鳴鳳山林中。首先，從帶有天牛幼蟲的楊樹段中取出麻點豹天牛幼蟲；然后將健康的楊樹段樣本處理成規(guī)則木段，其尺寸為220 mm×20 mm×20 mm，木材含水率為70%～80%。為保證天牛幼蟲順利鉆入試驗?zāi)径危秒娿@在規(guī)則楊木段一端面鉆深為70 mm直徑為8 mm的孔，模擬幼蟲在該木段的初侵入孔，使天牛幼蟲容易進入，以便后面自己鉆孔。選取體長32 mm，質(zhì)量0.4 g，齡期為3齡的麻點豹天牛幼蟲，放入已鉆好孔洞的規(guī)則木段中，用小木棒堵上洞口，在試驗過程中，取下小木棒，以便觀察幼蟲在木段中的生物學(xué)行為。為使幼蟲適應(yīng)環(huán)境并保持旺盛的生命力，讓幼蟲的生存環(huán)境更接近在活立木中高水分的環(huán)境，將其放入恒溫恒濕培養(yǎng)箱中2～3 d;設(shè)定溫度為22 ℃，濕度為90%。

本試驗使用北京軟島時代科技有限公司制造的AE信號采集儀器DS5-8B。在試驗?zāi)径伪砻娌贾脙蓚€AE傳感器，傳感器S1距離木段右端50 mm，S1與S2相距60 mm，如圖1所示，試驗時所用傳感器型號為RS-13A，在AE傳感器之后配置增益為40 dB的前置放大器，試驗過程中每個通道的采樣頻率設(shè)置為2.5MHz。圖1和2所示分別為楊樹木段示意圖及試驗實物布置圖。圖2所示通過端面的模擬蛀道可以實時觀測幼蟲的生物學(xué)行為特征。

圖1 楊樹木段示意圖

圖2 實物布置圖

2 結(jié)果與分析

2.1 幼蟲取食和爬行行為的AE信號

麻點豹天牛幼蟲在蛀食樹干過程中會造成木纖維破壞，而纖維破壞時會以AE的方式釋放應(yīng)變能，同時，幼蟲在爬行時也會造成木纖維的損傷，進而產(chǎn)生AE信號。因此，AE信號能夠客觀地反映幼蟲的生物學(xué)行為活動。本試驗主要研究麻點豹天牛幼蟲的取食和爬行信號的特征，針對兩種行為產(chǎn)生的AE信號進行頻譜分析。麻點豹天牛幼蟲取食和爬行的原始波形圖，如圖3和圖4所示。

圖3 取食原始波形

對比天牛幼蟲取食和爬行的AE信號原始波形,爬行行為的AE信號原始波形密集。觀測麻點豹天牛幼蟲的爬行行為，幼蟲先鼓起背部和腹部的步帶，再壓縮前半部的步帶，然后伸長身體；采集幼蟲爬行行為的原始AE信號，其波形如圖4所示。對比圖3中天牛幼蟲取食行為的AE信號，天牛幼蟲不同行為下信號幅值的最大值存在顯著區(qū)別，取食行為有兩次突發(fā)信號的幅值大于0.20 V，爬行行為的最大幅值為0.19 V，取食行為的最大幅值大于爬行行為的最大幅值，雖然爬行行為AE信號密集，但幅值沒有顯著特征。

圖4 爬行原始波形

為進一步探究幼蟲在兩種生物學(xué)行為下的聲學(xué)特性，本文統(tǒng)計了峰值頻率、能量、撞擊數(shù)等時域參數(shù)，為后面對麻點豹天牛幼蟲的研究提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。由于采樣率為2.5 MHz，所以原始AE信號的數(shù)據(jù)間隔可達到納秒級，雖然時間精度非常高，但是考慮AE事件的持續(xù)時間，本文以秒為單位統(tǒng)計相關(guān)AE參數(shù)指標(biāo)。

表1為麻點豹天牛幼蟲取食時AE信號的基本參數(shù)。從表1中可以得到：幼蟲取食的峰值頻率中62.5%的AE信號頻率是51.3 kHz，頻率波動范圍在(-2.4,2.5)kHz內(nèi)。從信號的發(fā)生時間來看，取食行為AE信號發(fā)生的時間間隔主要(占比為75%)分布在13～24 s的范圍內(nèi)，并且有50%的時間間隔是不超過20 s的，最長時間間隔為41 s，平均的間隔為23 s。就能量而言，取食行為最大能量值是21.22×10-6v·s，此外取食行為的能量值都小于10×10-6v·s，其平均值為7.53×10-6v·s；方差是30。能量集中度即能量自由度[11]，可以反映試件內(nèi)部能量的集中度。r增加說明有大量低能量的事件產(chǎn)生，r減小說明有少量高能量事件產(chǎn)生[12-14]。能量集中度和能量成負(fù)相關(guān)關(guān)系，能量集中度的增減也反映著能量的降低與升高。結(jié)論：天牛幼蟲取食行為的能量差異明顯，但是頻率一致。

表2是麻點豹天牛幼蟲爬行時AE信號的基本參數(shù)，從表2中可以得到幼蟲爬行的峰值頻率中50%的AE信號頻率是14.6 kHz，頻率波動范圍在(-1.2,0.6 kHz)內(nèi)。通過發(fā)生時間可以算出AE信號發(fā)生的時間間隔，在幼蟲爬行行為中，時間間隔范圍在19～29 s的信號占75%，最長時間間隔為44 s，最短的時間間隔為2 s，平均的間隔為22 s。從表中能量列中可以發(fā)現(xiàn)，爬行行為最大能量是15.73×10-6v·s，并且在爬行行為中75%的能量小于10×10-6v·s，其平均值為8.22×10-6v·s；方差是20。

表1 取食行為AE信號基本參數(shù)

表2 爬行行為AE信號基本參數(shù)

對比表1和表2中發(fā)生時間的間隔，不論是在幼蟲的取食行為還是爬行行為，幼蟲行為的平均時間間隔差異不大，取食行為的時間間隔平均值是23 s，爬行行為時間間隔平均值是22 s。因此，從幼蟲行為的時間間隔上無法分辨其行為特征。通過對AE信號撞擊數(shù)的分析，取食行為的平均撞擊數(shù)為26，爬行行為的平均撞擊數(shù)為41，結(jié)合取食和爬行行為的能量集中度，反映出天牛幼蟲取食和爬行行為的能量變化，但能量集中度沒有明顯的特征，故不能作為分辨天牛幼蟲行為的依據(jù)。結(jié)論：對比取食行為的能量方差值，幼蟲爬行行為的能量值變化集中，爬行行為的能量差異明顯，但是頻率一致。因此時間間隔和能量以及能量集中度均不適合作為辨識天牛幼蟲行為的依據(jù)?？梢杂妙l率分辨天牛幼蟲的行為學(xué)特征。

試驗所采集的天牛幼蟲取食和爬行的AE信號為低頻信號,經(jīng)過FFT變化分析頻譜特性，為了方便觀察，畫出0～180 kHz的頻譜圖。圖5為幼蟲取食和爬行行為的頻譜圖，從圖中可以看出幼蟲取食和爬行行為的頻譜圖差異顯著，圖5中爬行行為對應(yīng)的圖形顯示，頻譜圖峰值在15 kHz附近出現(xiàn)，幼蟲爬行行為的頻譜范圍為14～50 kHz，但主頻率在14.7 kHz。取食行為下的頻率集中，頻譜圖為單峰值，取食行為的頻譜圖中顯示其主頻率為51.3 kHz。

圖5 幼蟲取食和爬行行為的頻譜

2.2 幼蟲取食和爬行的AE信號能量分析

對試驗采集到的取食和爬行的原始AE信號進行能量的處理與分析，對采集到的原始信號的瞬時能量通過時域分析計算，得到對應(yīng)時間內(nèi)的能量值，并分別畫出取食和爬行信號的能量圖，如圖6所示。前面已經(jīng)計算了爬行行為能量方差為20，取食行為能量方差是30，爬行行為能量范圍小于取食行為的能量范圍。

取食行為的AE波形(圖3)和能量變化(圖6)客觀反映了幼蟲的取食行為。觀察取食行為的第18秒左右，有明顯的AE信號產(chǎn)生，圖6對應(yīng)的能量圖中也有明顯增大，該現(xiàn)象說明幼蟲的取食是一個連續(xù)緩慢的啃食過程，隨著啃食強度的增加，木材纖維斷裂使應(yīng)變能集中釋放。在20～40 s期間，出現(xiàn)了高于1 V的劇烈AE信號，但對應(yīng)的能量變化平緩；與之相反，在隨后的40～60 s階段，AE信號幅值降低，而對應(yīng)的能量卻突發(fā)增加，該現(xiàn)象說明對于木纖維而言，幼蟲的取食過程是能量不斷積累后的集中釋放過程，具體而言，幼蟲在取食時，不斷啃咬木材纖維，最終導(dǎo)致木纖維斷裂而釋放較大應(yīng)變能。

圖6 天牛幼蟲AE信號能量圖

總而言之，通過對圖3和圖6的對比分析發(fā)現(xiàn)，幼蟲在緩慢啃食時會產(chǎn)生大量低幅值(小于0.1 V)AE信號，隨著啃食強度的增加，AE信號的幅值將發(fā)生顯著變化(大于1 V)，但是能量的變化通常滯后于AE信號的改變，因為能量的突變是一定時段取食行為中能量的累積而導(dǎo)致的木纖維斷裂。為此，本文將從產(chǎn)生緩慢啃食AE信號到能量突變的這段時間記為幼蟲的取食周期，統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)取食周期絕大部分集中在(10,21)s區(qū)間，分別有1次達到最低的4 s和最高的24 s。

圖6的爬行行為能量圖中，結(jié)合原始信號，AE波形(圖4)密集，但是幅值趨于穩(wěn)定，能量圖中出現(xiàn)密集的能量峰。同樣地，將從幼蟲爬行行為能量突變的這段時間記為幼蟲的爬行周期，統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)爬行周期絕大部分集中在(2,7)s區(qū)間，分別有1次達到最高的10 s。

對比天牛幼蟲不同行為，天牛幼蟲取食周期和爬行周期有顯著差異，幼蟲平均取食周期為14 s，平均爬行周期是5 s，因此，可以用取食周期和爬行周期來辨識幼蟲的取食和爬行行為。綜上所述，取食行為信號的平均能量小于爬行行為信號的平均能量，爬行行為信號能量變化頻繁，但是爬行行為信號能量的最大值卻低于取食行為信號能量的最大值；平均取食周期大于平均爬行周期。

3 結(jié)論與討論

本研究是在新鮮木材中利用人工鉆孔的方式模擬麻點豹天牛幼蟲的蛀道，采集該幼蟲取食和爬行行為的AE信號，處理試驗數(shù)據(jù)，分析麻點豹天牛幼蟲取食和爬行的AE信號特征。得出如下結(jié)論：可通過頻譜分析得到的主頻率辨別麻點豹天牛幼蟲取食和爬行的行為特征；也可以通過能量變化的取食周期和爬行周期來辨別麻點豹天牛幼蟲取食和爬行的行為特征；其余參數(shù)差異顯著，不能有效辨別幼蟲的行為學(xué)特征。麻點豹天牛幼蟲取食信號的頻譜峰值明顯，其主頻率在50 kHz附近；爬行信號的頻譜圖有多個峰，主頻率在15 kHz附近。兩種行為下信號的主頻率穩(wěn)定，基本不變。天牛幼蟲取食行為過程是能量的積蓄。取食行為能量最大值為40.09×10-6v·s；爬行行為是幼蟲一次爬行所蘊含的能量，爬行行為的能量變化較為頻繁，該行為的能量最大值為33.79×10-6v·s。但是取食行為的平均能量小于爬行行為的平均能量。爬行行為的幅值比取食行為的幅值低。幼蟲平均取食周期為14 s，平均爬行周期是5 s。幼蟲平均取食周期大于平均爬行周期。

目前，研究人員對鉆蛀性昆蟲的聲行為研究有限；此類昆蟲的聲信號普遍存在著多樣性和復(fù)雜性，不同的昆蟲有不同的發(fā)音機制，研究昆蟲的聲信號特征，可將昆蟲分類并排除聲音疊加的干擾，為麻點豹天牛幼蟲的綜合治理提供理論依據(jù)。國內(nèi)對麻點豹天牛幼蟲的研究很少，主要是對麻點豹天牛的營養(yǎng)成分[15]，防治[16-18]和木材檢疫方面的研究，利用聲發(fā)射無損檢測技術(shù)的研究僅僅是監(jiān)測了麻點豹天牛幼蟲在1 d中活躍的時段，為我們殺蟲提供必要的條件，但并未研究麻點豹天牛的生物學(xué)行為的信號特征，而本試驗是對麻點豹天牛幼蟲特定行為下的AE信號研究，可進一步研究麻點豹天牛幼蟲的生活習(xí)性和規(guī)律。該研究也是對麻點豹天牛幼蟲更深層次的了解。

本研究在實驗室條件下，只對楊樹新鮮木段中采集到的麻點豹天牛幼蟲的聲發(fā)射信號的波形和能量進行分析，研究了天牛幼蟲取食和爬行行為AE信號的特征。天牛幼蟲的生物學(xué)行為有諸多不確定性，是否在取食行為或者爬行行為中伴有其他生物學(xué)行為的發(fā)生，這是在以后研究中要解決的問題，也為以后研究天牛幼蟲的生物學(xué)行為提供方法，同時為直接在活立木中檢測蛀干害蟲提供參考。