《Fishes》：Measurement and Numerical Modelling of Swim Bladder Resonance Properties of Recently Euthanised Brown Trout (Salmo trutta)
William Luocheng Wu,
Philip Ericsson,
Paul Kemp and
Paul Robert White
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本文报道了一种紧凑、可重复的实验室方法，用于评估新近处死鱼类的鱼鳔共振特性。该方法利用全水填充不锈钢阻抗管，通过端板激振器施加宽带伪随机激励，并由壁装水听器记录声学响应。通过功率谱分析识别共振峰，提取共振频率和品质因数。该方法首先通过充气乳胶气球作为替代的包裹气体腔得到验证，随后应用于褐鳟，观察到明显可归因于鱼鳔的共振特征，并发现其与鱼体尺寸存在系统性变化。配套的有限元模型成功复现了主要共振行为，为后续对活体、自由游动鱼类的无创测量提供了经验基础，在鱼鳔状况可能与管理和保护相关的应用场景中具有潜在价值。
材料与方法
2.1. 阻抗管配置
研究采用一个长1米、内径0.10米的不锈钢管作为一个封闭、全水填充的测试容器。两端用2毫米厚的不锈钢板密封，并使用八个M10螺栓和2.5厘米厚的可拆卸钢盖夹紧在法兰上。一个惯性激振器安装在一端板上，向水柱注入宽带振动。实验配置示意图显示，一个惯性激振器通过一个功率放大器提供宽带激励。两个水听器安装在管壁靠近上表面处，大约在激振器对面端板的0.10米和0.20米处，提供两个压力通道用于一致性检查和缓解局部特征。声学信号以4 kHz的采样频率记录100秒的激励周期。
2.2. 目标与样本准备
先前工作已使用充气乳胶气球作为替代包裹气体腔建立了阻抗管方案。本研究聚焦于新近处死的褐鳟，以评估该方法在生物现实鱼鳔上的适用性，同时能够立即进行测试后充气状态和几何形状的验证。褐鳟样本（n = 18）从南安普顿大学生态水力学研究中心另一项经批准的研究中获得。鱼被过量2-苯氧基乙醇处死。测量在处死后约30分钟内进行。在将样本放入阻抗管前，测量每个样本的叉长（平均22.1 ± 2.1 厘米；范围11.0–23.9 厘米）。每次测量后，立即通过解剖暴露鱼鳔，确认其完整性和充气状态，并测量其半长轴和半短轴尺寸，以估算其近似为扁长椭球的偏心率。
2.3. 谱估计与共振特性
对于每次试验，使用从记录的时间序列计算出的功率谱密度（PSD）和互谱估计在频域表征系统响应。谱采用Welch方法、Hann窗、50%重叠和1024样本段进行估计。时间序列被分割成长度为N = 1024个样本的段，加Hann窗，并以50%重叠进行平均。对于每个通道对，从加窗段的离散傅里叶变换计算单侧自谱密度和互功率谱密度，然后在所有段上平均。记录的水听器压力PSD用作该系统在标准化驱动条件下频率响应的主要表示。互谱量用于支持质量控制，特别是互谱和幅度平方相干性，以确认共振带中的谱特征与施加的激励因果相关，而非偶然噪声或瞬时处理伪影。
在提取气泡共振峰之前，在同一采集设置下重复获取空管基线谱，并将其作为该设置的稳态参考状态。然后将有鱼时的谱与基线直接比较，以识别放入鱼引起的改变。在有两个水听器可用的情况下，为每个水听器独立计算谱。通道之间在峰值频率和峰值显著性上的一致性被用作内部一致性检查，以确保观察到的特征反映了耦合的“管-鱼”系统的全局响应，而非单个传感器的局部压力异常。
为了提供定量指标证明管填充程序产生了一致的“空管”参考状态，在每个样本测量之前重新获取空管基线谱。基线可重复性通过在200至800 Hz范围内，当前基线PSD与相同采集设置下的参考基线运行之间的中位数绝对差异（以dB为单位）来总结。在所有试验中，基线中位数绝对差异通常≤1 dB，没有出现表明意外滞留空气的窄带突出峰。共振频率f0被操作性定义为记录信号PSD中与鱼鳔相关的主要峰的频率，该峰（i）在空管基线中不存在，（ii）出现在当前设置下鳟鱼鱼鳔的预期频带内，以及（iii）在同一样本内可用的短时重复采集中可重复。
引言与背景
鱼类听觉通常被描述为声音刺激通过直接和间接通路到达内耳。所有真骨鱼都可以通过直接通路用其耳石末端器官检测声音，其中感觉毛细胞通过振动差对粒子运动做出反应，这是由于致密的钙质耳石对声音刺激的反应比周围软组织慢，从而产生惯性滞后。一些真骨鱼物种也可以通过间接通路感知声音，其中充满气体的腔通过将声压波动局部转换为可刺激内耳的附加运动来发挥作用。在有鱼鳔或其他充气腔的真骨鱼中，气体体积的压力驱动压缩和扩张可以驱动鳔壁振荡，并充当感觉上皮附近粒子运动的次要来源；当存在解剖耦合时，这种贡献可能更有效。这些概念推动了对鱼鳔共振特性进行定量表征，因为它们限制了鱼鳔对压力激励的响应方式，进而限制了这可能引起的局部运动。因此，量化鱼鳔共振指标是回答更深入问题的必要前导，例如鱼鳔共振如何随鱼的大小和形态变化、如何随环境负荷（例如，深度和压力）变化，以及如何因病理或损伤而改变。
尽管有这些动机，但对鱼鳔共振特性的直接测量仍然有限。基于场的方法，如环形水听器布置和相关的开放水域散射测量，可以解析共振再辐射，但对数要求高且对边界效应敏感，需要深水和精心部署。实验室方法包括基于超声的膀胱壁运动测量，但这些通常需要麻醉和精确定位，并且在没有专门设备的情况下难以复现。最近的CT信息建模能够详细预测鱼鳔力学和压力敏感性，但它不是直接测量技术，并且通常依赖于在未麻醉、自由行为鱼类上难以实现的成像条件。与此同时，由于基础气泡声学和应用噪声控制概念的推动，人们对开发紧凑、封闭的实验系统来测量自由和/或包裹气泡的共振重新产生了兴趣。水填充管和小型水箱已被用于通过受控激励和压力记录来测量气泡共振，类似的策略已应用于系留包裹气泡和阵列用于水下噪声消减。这些研究表明，通过精心设计的实验，可以在有限的实验室几何结构中表征亚波长气体腔，但它们也突出了一个重要的复杂性：气泡的共振可以与宿主腔响应耦合并改变之，因此稳健的识别受益于一个将驱动系统动力学与气泡特性分离的分析框架。
结果与发现
本研究将相同的测量概念从替代物推进到生物鱼鳔，将阻抗管方案应用于新近处死的褐鳟。这一中间步骤在死后短时间内保留了自然充气的鱼鳔，同时允许测试后解剖以确认充气状态和总体形态，从而提供了一条受控途径来评估作为一个被软组织包围的阻尼器官的鱼鳔共振特征是否仍能通过此方法检测到。为了支持在实验负载下的解释，使用耦合有限元（FE）建模进一步检查了测量的共振特征。研究发现，鱼鳔共振特征清晰可辨，并显示出与鱼体尺寸的系统性变化。配套的有限元模型成功再现了实验负载下的主要共振行为，支持了测量峰解释为鱼鳔共振。
意义与展望
从感官角度来看，共振的意义有两个方面。首先，共振气体腔可以放大其附近的局部粒子运动和压力梯度，这可以被耳石器官直接检测到。其次，在鱼鳔和内耳之间存在机械耦合的物种中，鱼鳔运动可以有效地传递到感觉上皮，提高压力敏感性并扩展听觉的上限频率。这些机制推动在实验室和管理背景下对共振指标进行明确测量，包括可能部署声学威慑的鱼道。共振指标在选择应用场景中的暴露频率时也可能相关，但本研究仅报告力学表征。一个持续的困难是，许多感兴趣的环境，如河流、渠道和浅水库，不允许在鱼鳔共振相关频率下进行经典的远场测量范式。有限的深度和复杂的边界促进了强烈的多径效应和混响，声压和粒子运动之间的关系在短空间尺度上可能有很大变化。此外，浅水波导效应引入了频率相关的传播约束：对于一些物种和尺寸级别，鱼鳔共振频率可能低于环境的低频截止频率，因此在考虑干涉和边界损失之前，并不能保证向远场范围的有效传播。相比之下，能在受控条件下解析共振特性的紧凑实验室方法可以提供可重复的基线，并能够系统探索诸如尺寸、形状、充气状态和壁力学特性等因素。本文报告的工作采用这种方法，使用一个预先存在的不锈钢、水填充阻抗管，该管满足受控激励和可重复水听器测量的实际要求，从而允许方法开发和验证，而无需面对开放水域部署的后勤限制。本研究的结果为后续在专门测试室中对活体、自由游动鱼类进行真正无创测量的发展提供了实验基础，该工作将单独处理，并直接基于本文报告的程序和验证进行。
