Kỹ Thuật Nuôi, Tin tức

Phần 1 – Nghiên Cứu Về Hoạt Động Kiếm Ăn Của Tôm Thẻ Chân Trắng Dựa Trên Phát Hiện Âm Thanh Thụ Động

TÓM TẮT

Tôm thẻ Litopenaeus vannamei là loài tôm nuôi chính ở Trung Quốc, có triển vọng thị trường lớn và giá trị kinh tế cao. Tuy nhiên, hiệu quả nuôi loài tôm này vẫn còn thấp do người nuôi chủ yếu cho ăn bằng tay và chi phí thức ăn cao. Vì thế, đối với các ao nuôi có mật độ cao thì không thể đánh giá số lượng và thời gian cho ăn bằng mắt thường. Trong nghiên cứu này, dựa trên việc phân tích các đặc điểm tín hiệu ăn bằng âm thanh của tôm thẻ chân trắng Litopenaeus vannamei, việc kiểm soát lượng thức ăn chính xác và thông minh được đưa ra nhằm giảm chi phí chăn nuôi và mang lại lợi ích về môi trường. Nghiên cứu này đã thiết kế một hệ thống thu thập và phân tích tín hiệu âm thanh về hoạt động kiếm ăn của tôm thẻ Litopenaeus vannamei. Dựa trên công nghệ phát hiện âm thanh thụ động, tín hiệu âm thanh khi chuyển động của tôm thẻ Litopenaeus vannamei được trích xuất khi chúng đói. Thông qua nghiên cứu miền thời gian và miền tần số, các thông số đặc trưng của tín hiệu âm thanh khi chuyển động của cơ thể tôm sẽ được xác định. Phạm vi thời lượng tín hiệu là 8-10ms và phạm vi trung bình của dải cộng hưởng là 2-10KHz. Hơn nữa, phương pháp ngưỡng kép còn được sử dụng để phát hiện hiệu quả phạm vi của các tín hiệu cho ăn, sau đó thu được số lượng tín hiệu âm thanh, và mối quan hệ về cường độ tương ứng giữa các thông số đặc trưng và mức độ đói của tôm. Phương pháp này có thể được sử dụng làm cơ sở để đánh giá việc cho ăn thông minh theo yêu cầu. Nghiên cứu cung cấp thông tin hỗ trợ về mặt lý thuyết cho tính khả thi của việc nghiên cứu các kiểu ăn của tôm thẻ L. vannamei thông qua công cụ giám sát âm thanh thụ động dưới nước.

Từ khóa: Âm thanh thụ động, tôm thẻ chân trắng, tín hiệu xung, phát hiện ngưỡng.

I/ GIỚI THIỆU

Công nghệ giám sát âm thanh thụ động sử dụng tiếng ồn bức xạ của các mục tiêu dưới nước trong các điều kiện khác nhau để phát hiện, định vị, theo dõi và xác định mục tiêu. Bằng cách nghiên cứu mối tương quan giữa hành vi của các loài thủy sản và tín hiệu âm thanh của chúng, công nghệ này dần được ứng dụng trong nghiên cứu sinh học dưới nước. Đối với các sinh vật dưới nước, những hành vi tâm lý và sinh lý cụ thể của chúng khó quan sát được bằng mắt thường. Tuy nhiên, chúng có thể truyền thông tin với nhau giữa cùng loài hoặc khác loài bằng cách phát âm, tức là chúng sẽ tạo ra các âm thanh khác nhau tùy vào các hành vi cụ thể. Ví dụ, khi ăn, khi di chuyển dưới nước, khi sinh sản, âm thanh được tạo ra khi hoảng sợ để tránh những động vật ăn thịt khác hoặc các kiểu phát âm khác nhau tùy theo mùa, v.v. Vì vậy, việc sử dụng công nghệ giám sát âm thanh thụ động để nghiên cứu các đặc điểm của tín hiệu âm thanh về các hành vi cụ thể của các sinh vật dưới nước có giá trị ứng dụng thực tế về mặt lý thuyết và kỹ thuật quan trọng. Công nghệ này có thể sử dụng để giám sát trong thời gian dài do ít gây nguy hiểm cho vật nuôi cũng như ít ảnh hưởng đến môi trường. Trong lĩnh vực sinh học và thủy sản, công nghệ này có thể được sử dụng để xác định môi trường sống, phân bố, khu vực sinh sản và tập tính sống của cá.

Hawkins và cộng sự đã mô tả các tín hiệu phát âm của họ cá tuyết trong nhiều trường hợp khác nhau bằng cách nghiên cứu mối tương quan giữa phát âm và cấu trúc thanh âm của chúng. Ngoài ra, Abileah và cộng sự đã sử dụng Hệ thống Giám sát Âm thanh của Hải quân Hoa Kỳ (SOSUS) để tiến hành thực hiện các thí nghiệm nghiên cứu các đặc điểm phát âm của cá hồi ở phía Bắc Thái Bình Dương. Ở khu vực phía bắc của Vịnh Nicoya, Donald và cộng sự đã sử dụng hydrophone để thu âm thanh của Cynoscion squamipinnis (Bộ Cá vược: Sciaenidae) tạo ra trong quá trình sinh sản, để xác định nơi sinh sản của nó. Nelson và cộng sự đã nghiên cứu mối quan hệ giữa hoạt động âm thanh và hành vi của cá mú đỏ Epinephelus morio trên Thềm Tây Florida và phát hiện ra rằng các tín hiệu âm thanh được phát hiện có liên quan đến hoạt động sinh sản.

Tương tự, công nghệ giám sát âm thanh thụ động cũng đóng một vai trò quan trọng trong việc phát hiện âm thanh của tôm dưới nước. Ở Vịnh Kaneohe, Au và cộng sự đã sử dụng hydrophone để thu thập và mô tả đặc điểm của tín hiệu tiếng ồn “tách tách” phát ra khi tôm đớp mồi. Tuy nhiên, thông qua quá trình theo dõi âm thanh của tôm bắt mồi kéo dài hàng năm trong môi trường sống ở rạn san hô dưới thủy triều, Bohnenstiehl và cộng sự đã phân tích tiếng tôm kêu thay đổi trong ngày và theo mùa, điều này có ý nghĩa nhất định đối với việc nghiên cứu âm thanh ở đại dương. Daniel và cộng sự đã phân tích tín hiệu ăn của tôm sú và xác định các đặc điểm của tiếng kêu của chúng, đây được xem như một phương pháp đáng tin cậy để giám sát hoạt động cho tôm ăn trong các ao thương phẩm có âm thanh phức tạp. Ngược lại, tôm thẻ chân trắng Litopenaeus vannamei đại diện cho khoảng 80% sản lượng tôm của thế giới. Đây cũng là loài tôm nuôi chính của Trung Quốc và có giá trị kinh tế cao. Công nghệ giám sát âm thanh thụ động được sử dụng để nghiên cứu các đặc điểm tín hiệu âm thanh về hoạt động kiếm ăn của tôm thẻ chân trắng và sau đó thiết lập một hệ thống quản lý thức ăn tự động, cho ăn theo yêu cầu, giúp tiết kiệm chi phí lao động và chi phí thức ăn, đồng thời nâng cao hơn nữa giá trị kinh tế của tôm thẻ chân trắng Litopenaeus vannamei trong ngành nuôi trồng thủy sản.

Có rất ít nghiên cứu về các tín hiệu âm thanh liên quan đến hoạt động kiếm ăn của tôm thẻ chân trắng trong các tài liệu hiện đang xuất bản, và rất khó để đánh giá xem tôm có ăn hay không dựa trên các tín hiệu âm thanh. Các nghiên cứu hiện tại thường tin rằng khi tôm thẻ chân trắng ăn, thức ăn bị nghiền do va chạm và ma sát của các hàm của tôm để tạo ra tín hiệu âm thanh, và âm thanh ăn là tiếng “tách” liên tục. Tuy nhiên, qua nhiều thí nghiệm, nghiên cứu này đã phát hiện ra rằng các tín hiệu âm thanh do tôm thẻ chân trắng phát ra khi ăn chủ yếu được tạo ra bởi hành vi bơi của tôm và đớp thức ăn khi chúng đói. Nó cũng tương tự như tín hiệu xung đơn liên tục, có thể được sử dụng để đại diện cho các hoạt động kiếm ăn của tôm. Khi mức độ đói giảm dần, cường độ di chuyển của tôm sẽ giảm dần, và số lượng tín hiệu được tạo ra cũng giảm dần. Nghiên cứu chủ yếu sử dụng phân tích miền thời gian và miền tần số để thảo luận về các thông số âm thanh chính được tạo ra trong quá trình ăn của tôm thẻ chân trắng trưởng thành trong bể nước thí nghiệm. Phạm vi hiệu quả của các tín hiệu cho ăn đã được xác nhận và tính toán, điều này sẽ giúp ích cho nghiên cứu tiếp theo trong tương lai.

Phần còn lại của bài báo được sắp xếp như sau:

  • Phần II, hệ thống thu thập và phân tích, bố trí thí nghiệm và phương pháp thí nghiệm sẽ được trình bày chi tiết.
  • Phần III, trong miền thời gian và miền tần số, các đặc điểm của tín hiệu âm thanh ăn thu thập được được phân tích để chỉ ra rằng hoạt động kiếm ăn của tôm có liên quan đến hành vi bơi và đớp thức ăn khi chúng đói.
  • Phần IV, phương pháp ngưỡng kép được sử dụng để phát hiện phạm vi hiệu quả và tính toán số lượng tín hiệu cho ăn.
  • Phần V, phân tích các đặc điểm của tín hiệu tiếng ồn do máy tạo oxy tạo ra ảnh hưởng đến việc thu thập tín hiệu.
  • Kết luận cuối cùng được thảo luận trong Phần VI.

Hình 1. Hệ thống trích xuất tín hiệu ăn bằng âm thanh ở tôm thẻ chân trắng Litopenaeus vannamei.

II/ MÔ TẢ HỆ THỐNG

A/ Trích xuất âm thanh

Hệ thống thu nhận và phân tích thời gian thực của tín hiệu âm thanh ở tôm thẻ chân trắng dựa trên công nghệ giám sát âm thanh thụ động được trình bày trong Hình 1. Theo yêu cầu của thí nghiệm, số lượng tôm cần thiết trong bể nước được nuôi trong lồng. Sau khi cho ăn, các tín hiệu khi ăn của tôm được tạo ra. Hydrophone với hiệu suất cao được sử dụng để chuyển tín hiệu âm thanh dưới nước của tôm thành tín hiệu điện. Sau khi qua bộ khuếch đại tín hiệu yếu, các tín hiệu điện được chuyển thành tín hiệu số thông qua thẻ thu thập dữ liệu. Trong quá trình thí nghiệm, thiết bị camera có nhiệm vụ ghi lại các trạng thái chuyển động khác nhau của tôm thẻ chân trắng khi ăn, kết hợp với hydrophone để trích xuất các tín hiệu ăn của tôm. Sử dụng công nghệ lọc kỹ thuật số để loại bỏ tiếng ồn môi trường dưới nước và tiếng ồn điện từ dữ liệu tín hiệu âm thanh thu thập được, hoàn thành việc thu thập và phát hiện tín hiệu khi ăn của tôm. Để mô phỏng sự khác biệt về tín hiệu ăn của tôm trong các điều kiện môi trường khác nhau, cần thay đổi thời gian cho ăn và mật độ tôm để nhận ra tín hiệu âm thanh thụ động của của chúng. Sau khi phân tích thống kê, có thể thu được mức độ đói của tôm và kiểm soát thức ăn cho tôm theo nhu cầu.

B/ Bố trí thí nghiệm

Địa điểm thử nghiệm ở tại cơ sở nhân giống Xiaxinglong, quận Haicang, thành phố Hạ Môn, tỉnh Phúc Kiến. Thời gian thử nghiệm vào cuối tháng 6 năm 2020. Trước khi thử nghiệm, 5 và 10 con tôm thẻ chân trắng trưởng thành được đặt trong hai bể nước ngọt (chiều dài và chiều rộng là 40 × 20 cm) và cung cấp oxy liên tục, giúp tôm quen với môi trường của bể nước thí nghiệm, như trong Hình 2. Tôm không được cho ăn trước khi bắt đầu thí nghiệm. Vì tín hiệu âm thanh liên quan trực tiếp đến thời điểm bắt đầu cho ăn, nên việc trì hoãn cho ăn có thể liên quan đến thời gian cần thiết để tôm phát hiện và ăn thức ăn, cũng như cảm giác no và độ hấp dẫn của thức ăn. Do đó, việc đảm bảo rằng tôm đói trước khi bắt đầu thử nghiệm sẽ duy trì cảm giác thích thú với thức ăn. Trong thí nghiệm này, thời gian nhịn ăn của tôm là 24 giờ. Đặt tôm vào bể nước có dung tích nhỏ giúp tôm phát hiện và ngoạm thức ăn nhanh hơn.

Hình 2. Bể nước trong thử nghiệm.

Thí nghiệm sử dụng hydrophone WBT22-1107 để thu tín hiệu âm thanh cho tôm ăn. Độ nhạy của hydrophone là −193dB ± 3dB @22KHz (re 1 V/µPa @1m, 20m cáp) và tốc độ lấy mẫu thử nghiệm là 100KHz. Vì sau khi cho ăn, tôm chủ yếu ăn tập trung ở đáy bể. Do đó, trong quá trình thí nghiệm, hydrophone được đặt ở giữa bể nước và gần tôm như trong Hình 3. Toàn bộ quá trình thí nghiệm được ghi lại bằng camera.

Hình 3. Vị trí của hydrophone.

Do tín hiệu âm thanh của việc chuyển động ăn của tôm rất yếu nên khi bật máy tạo oxy, tiếng ồn tạo ra quá lớn sẽ ảnh hưởng đến việc thu tín hiệu. Vì vậy, việc thu thập tín hiệu trong thí nghiệm này được thực hiện khi máy tạo oxy được tắt và không có nhiễu từ các tín hiệu âm thanh khác.

C/ Thu thập và phân tích dữ liệu thực nghiệm

Để quan sát tình hình ăn của tôm trong các bể thử nghiệm với 5 và 10 con tôm, dữ liệu tín hiệu được thu thập trong 3 lần cho ăn liên tiếp và tình hình ăn của tôm được camera ghi lại. Đặt hydrophone sao cho không ảnh hưởng đến hoạt động bình thường của tôm. Thời gian thu thập dữ liệu của 3 lần cho ăn là 8 phút. Trước mỗi lần thu tín hiệu cho ăn, tôm được cung cấp oxy trong 1 phút để duy trì trạng thái bình thường.

Các tín hiệu sau khi thu thập được khử ồn để lọc ra ảnh hưởng của nhiễu điện tần số thấp đối với các tín hiệu mục tiêu. Dựa trên phân tích miền thời gian, miền tần số và tần số thời gian của tín hiệu ăn của tôm thẻ chân trắng Litopenaeus vannamei, các đặc tính âm thanh của tín hiệu cho ăn được phân tích và thảo luận. Trong phân tích phổ, phương pháp Welch được sử dụng để tính toán phổ công suất của tín hiệu, cửa sổ Blackman cũng được áp dụng, và độ phân giải tần số là 390 Hz. Với độ dài cửa sổ là 0,1 giây, biến đổi Fourier thời gian ngắn của tín hiệu được tính toán, được định nghĩa là:

trong đó s(m) là chuỗi tín hiệu cho tôm ăn

ω(n) là chuỗi cửa sổ thực

Với các giá trị khác nhau của n, cửa sổ ω (n – m) trượt dọc theo trục thời gian và các tín hiệu cửa sổ khác nhau được đưa ra ngoài cho phép biến đổi Fourier thu được sự phân bố tần số thời gian của các tín hiệu cho ăn.

Nhóm tác giả: Maochun Wei, Yating Lin, Keyu Chen, Wei Su, (Member, Ieee), và En Cheng

Nguồn: https://ieeexplore.ieee.org/stamp/stamp.jsp?arnumber=9178285

Biên dịch: Huyền Thoại –Bình Minh Capital

Xem thêm:

You cannot copy content of this page