基于聲振法的西瓜貯藏時間檢測

陸　勇，李臻峰， ，浦宏杰，汪迪松

(1.江南大學 機械工程學院，江蘇 無錫 214000； 2.江蘇省食品先進制造裝備技術重點實驗室，江蘇 無錫 214000)

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基于聲振法的西瓜貯藏時間檢測

陸勇1， 2，李臻峰1，2，*，浦宏杰1，2，汪迪松1，2

(1.江南大學 機械工程學院，江蘇 無錫 214000； 2.江蘇省食品先進制造裝備技術重點實驗室，江蘇 無錫 214000)

為了研究貯藏時間對西瓜振動特性的影響，在自行設計的聲學振動檢測試驗平臺上，利用聲振法檢測西瓜的振動頻率隨貯藏時間的變化規律。結果表明，提取的頻響信號中第一響應基頻頻率與西瓜貯藏時間的相關性較好，建立第一響應基頻頻率與貯藏時間的三階非線性函數模型，相關系數R2可達0.919 1。通過選取多個振動特征值建立西瓜貯藏時間的逐步多元線性回歸模型，結果表明，將激勵點和接收點分別放在西瓜的瓜梗和瓜蒂處可獲得最佳的測定模型，模型的相關系數、標準估計誤差分別為0.931 3和1.812 0，這為西瓜采摘后的貯藏與銷售提供了參考。

西瓜；敲擊振動；貯藏時間；多元線性回歸

西瓜被公認為夏季受歡迎的水果之一，其果肉中富含維生素、糖類、礦物質和有機酸等多種營養成份和化學物質，清熱解暑，戒酒利尿[1]。但西瓜含水量豐富，采摘后生命活動旺盛，其內部品質也隨著運輸與貯藏時間的延長而不斷下降[2]。國內學者對不同品種西瓜在常溫貯藏期間的品質變化進行了研究，結果表明，隨著貯藏時間的延長，西瓜瓜皮不斷變薄，質量損失增加，可溶性固形物減少，葡萄糖、果糖等主要營養物質也不斷被消耗[3]。研究表明，隨著貯藏時間的推移，西瓜品質變化主要表現為含糖量和瓜瓤含水率的變化[4]。因此，貯藏時間過長的西瓜內部營養流失速度加劇，且容易腐爛、變質，這樣的西瓜不僅無法食用，而且會影響其他西瓜正常的生理代謝，給貯藏與銷售帶來一定的經濟損失，因此，需要尋找有效的方法來檢測西瓜貯藏時間。

近年來，國內外學者利用聲學振動方法檢測西瓜內部品質，并發現多個振動參數與其內部品質相關。Abbott等[5]利用水果(蘋果、桃子、西瓜等)的聲學特性研究其固有頻率與其硬度和成熟度的關系，建立了楊氏模量與水果固有頻率的關系式：EI=mf2隨著貯藏時間的延長，西瓜的硬度和成熟度也會變化，Cooke等[6-7]通過試驗不斷優化這一公式，提出了EI=m2/3f2、ρ1/3m2/3f2。Stone等[8]為了檢測西瓜在收獲和運輸過程中所引起的內部損傷，分別測定了內部有損傷和內部無損傷西瓜的共振頻率，發現內部損傷對西瓜的共振頻率有一定影響。Diezma Iglesias等[9]利用音頻特性法檢測西瓜空心，將0～500 Hz分成幾個頻率范圍，然后將各頻率范圍內振幅值相加得總和，計為BM，結果表明，BM(80～165 Hz)F值最高，數量級達6～10，因此該頻段用于檢測空心效果最好。王書茂等[10]提出了通過西瓜的振動頻率響應來判斷西瓜成熟度的無損檢驗方法，結果表明，僅有基頻(第一階固有頻率)與西瓜含糖量有較好的相關性(相關系數為0.80)。張玉新等[11]通過分析不同成熟度西瓜樣本的拍擊音頻信號，提取了和西瓜成熟度密切相關的幾種特征，并從中找出1個相關性最高的特征——通帶能量向量，完成對西瓜成熟度的無損檢測。危艷君等[12]利用西瓜的聲透過率值建立其品質的多元線性回歸方程，結果表明，將敲擊點和接收點分別放置在西瓜自然生長狀態的中部對側可獲得最佳的測定模型。

上述研究都是利用敲擊振動檢測法對西瓜內部品質進行檢測和分級，未涉及貯藏時間的相關報道。目前，對于西瓜聲學特性的研究還未成熟，關于貯藏時間對西瓜振動特性的影響也鮮有報道，因此本文通過敲擊試驗，采集西瓜振動的聲學信號，經過頻率響應函數(FRF)分析計算得到西瓜的響應函數，研究利用其響應函數某些特征值建立與貯藏時間相關模型，為西瓜采摘后的運輸時間以及最佳貨架期提供參考。

1　材料與方法

1.1試驗材料

西瓜品種為小鳳瓜，選自無錫北塘區某西瓜大棚中，根據當地瓜農的經驗挑選花期相同且同日采摘的適熟瓜。為了減小其他因素對試驗結果的影響，從中選取10個質量、尺寸以及成熟度較為接近的西瓜作為試驗樣本。

1.2試驗儀器

本試驗由自行設計的敲擊振動試驗檢測系統完成，該檢測裝置系統如圖1所示，其主要部件包括力錘激勵裝置(美國PCB公司，型號086C01)、加速度傳感器(美國PCB公司，型號352C68)、信號解調儀(美國PCB公司，型號482C05)、NI數據采集卡(美國NI公司，型號USB-6259)、工作臺以及計算機。工作臺上放置硬質海綿支撐托架，模擬實際流水線分揀過程中的支撐條件。

1.3試驗方法

1.3.1樣品處理

為了促進西瓜成長，將小鳳瓜進行催熟處理，用乙烯利浸果處理，乙烯利的濃度是100～300 mg·L-1，然后晾干，用保鮮袋包裝，貯藏于恒溫恒濕箱中(環境溫度20 ℃、相對濕度60%)。2 d后，取出進行聲信號的采集，然后繼續貯藏于恒溫恒濕箱中，每隔2 d進行同上操作，直至西瓜表面出現腐爛、軟化為止。

1.3.2振動信號的采集

軟件部分采用LabVIEW(laboratory virtual instrument engineering workbench)進行編程。LabVIEW是美國國家儀器公司研制的虛擬儀器圖形編程語言，它是一個大型儀器系統開發平臺。本次試驗通過LabVIEW語言將西瓜聲信號的采集、處理、顯示和儲存有機地結合在一起，簡化了試驗的步驟與運算。

根據試驗要求編寫試驗平臺軟件部分，激勵信號與接收信號經過信號調理儀緩沖、濾波、放大處理后儲存到NI采集卡中，采集卡通過USB接口與PC主機相連，并利用DAQ助手將采集信號導入程序內進行運算。數據處理部分采用FRF進行處理，得到西瓜的振動峰值頻率分布，即其功率譜密度。將該聲學振動系統采樣率設置為2 000 Hz，采樣數設置為800。

圖中1～ 5分別為敲擊、接收測試點。圖1　西瓜敲擊振動檢測系統Fig.1　Vibration testing system for watermelon

1.3.3測試點標記

首先，在西瓜表面上選取測試點，分別在西瓜的梗部和蒂部進行標記，另外在西瓜赤道上每隔90°進行標記。將西瓜樣本放置于測試臺上，使用包裹橡皮套錘頭的力錘測試西瓜，將力錘勻速平穩敲擊被測點處，通過加速度傳感器接收信號，在計算機中使用LabVIEW編輯的程序采集信號并進行處理，將信號響應頻率記錄在文檔中。按測試點序號順序敲擊各測試點，每個測試點重復敲擊10次，對采集的敲擊信號進行平均處理。

為了比較不同敲擊—接收點聲信號差異，在西瓜表面選擇5個典型位置作為測試點，并分別進行標記：1號點：梗部，3號點：蒂部，2號、4號、5號分別位于西瓜赤道上，每隔90°取1點。試驗時，分別以1號、2號和4號點為敲擊點，3號點和5號點為接收點進行組合，文件標記為敲擊—接收點組合，如1-3，2-3。

2　結果與分析

2.1西瓜敲擊振動信號分析

力錘敲擊西瓜表面標記點產生振動信號，振動信號經過西瓜內部介質被加速度傳感器接收，經過信號調理儀濾波、放大處理后，經NI數據采集卡采集數據到PC機的程序中進行后續處理，程序界面中可以顯示采集到的信號和相關處理后的信號圖。最后，通過LabVIEW軟件將處理完的信號顯示在PC上，并自動保存為文本文件。

圖2所示信號分別為力錘激勵信號和加速度傳感器接收信號，此信號為原始信號，無法直接看出與貯藏時間的相關性，需要對信號進行處理。考慮到外界噪音的干擾，對信號進行FRF分析，得到西瓜激勵—接收兩點組合的響應頻率譜，如圖3所示。

2.2西瓜頻響信號特征值提取

分別在西瓜表面5個點進行敲擊試驗，將西瓜頻響信號數據保存為Excel文件，并以激勵—接收點和測試日期等信息命名。將數據文件導入Matlab進行數據處理。頻率響應譜中頻響峰值即為信號能量極值處頻率，能夠反映信號的主要內容特征，即能夠反映西瓜內部品質的主要特性。在提取特征值時，考慮外部環境以及低頻噪聲的干擾，在提取時設定信號響應頻率必須大于100 Hz。依次提取大于100 Hz的每一個峰值，結果表明，頻響響應譜中大部分能量都集中在前三階峰值中(圖4)。因此，處理數據時，僅把前三階峰值作為特征量，分別記錄每個特征量所包含的響應頻率以及能量密度。將試驗得到的10個西瓜樣本的頻率響應信號進行特征值提取，并進行平均處理，用fi與Vfi表示(i=1， 2， 3)。

圖2　激勵與接收原始信號圖Fig.2　The original signal of excitation and reception

圖3　FRF響應頻率圖Fig.3　FRF response function diagram

2.3貯藏時間對特征值的影響

圖4　頻響信號特征值提取圖Fig.4　The feature extraction of frequency response signal

一共提取6個特征值，分別為西瓜響應頻率譜中前三階響應基頻中的響應頻率與響應能量密度，并分析它們與貯藏時間的關系。

圖5為f1，f2，Vf1和Vf2與貯藏時間之間的關系。在貯藏過程中，西瓜樣本的前兩階響應基頻的響應頻率與響應能量密度都隨著貯藏時間的延長呈現逐漸下降的趨勢。在圖5-d中，樣品在0～15 d數據均交叉明顯，無法看出明顯趨勢，在15～30 d樣品的Vf2逐漸趨于平穩，且改變敲擊位置時，Vf2基本不變，都維持在10 dB以內。在圖5-c中，當敲擊—激勵點分別為瓜梗與瓜蒂時，Vf1下降趨勢比較明顯，且在9～18 d，Vf1從131 dB下降到49.47 dB，可能是由于西瓜內部組織開始變化后，影響了其內部結構阻尼比δ，從而使其響應能量發生變化。在圖5-a與b中無論敲擊—激勵點如何變化，響應頻率都隨著貯藏時間的延長呈現平穩下降的趨勢，且其下降趨勢基本不隨位置的變化而改變。呈現下降趨勢的原因可能是西瓜在貯藏過程中，其內部瓜瓤逐漸失水，瓜瓤逐漸疏松，使其彈性模量EI逐漸減小，由EI=m2/3f2看出，當質量不變時，彈性模量減小，其響應頻率也會隨之減小。

圖5　特征值f1，f2，Vf1和Vf2與貯藏時間關系圖Fig.5　The relationship between storage time and characteristic value off1， f2， Vf1 and Vf2

2.4不同特征量相關性分析

利用Matlab中相關性函數分析西瓜6個特征值以及其不同激勵—接收組合與貯藏時間的相關關系，采用線性擬合的方法，分析結果如圖6所示。圖中f1特征值與西瓜貯藏時間的相關性比較好，而其特征值中，激勵—接收點為1-3時的相關系數最高，最高可達到0.95，顯著相關。圖7為特征值f1中激勵—接收點為1-3時，f1特征值與貯藏時間的線性擬合方程。

為了得到更高的確定系數，采用多個數學函數模型對特征值f1與貯藏時間進行非線性擬合，以貯藏時間為自變量，特征值f1為因變量，結果如表1所示。選擇擬合模型的原則是需要較高的確定系數，且具有物理意義。表中可以看出，f1的3階多項式模型與貯藏時間的擬合確定系數最高，且RMSE為2.43，證明該模型顯著性最好。因此，當西瓜貯藏時間逐漸延長時，對西瓜進行敲擊振動試驗，可以看到頻率響應圖譜中第一響應基頻點呈現逐漸遞減的規律。利用該擬合模型能夠更好地為西瓜貯藏時間的分級檢測提供基礎。

圖6　不同特征值和不同激勵—接收組合與貯藏時間的相關系數Fig.6　The correlation coefficient between different characteristic values， different excitation-receiving combination and storage time

圖7　特征值f1與貯藏時間的線性擬合關系Fig.7　The linear fitting relationship between f1 and storage time

2.5確定檢測模型

通過上述研究可知，特征值與貯藏時間具有相關關系，因此可以利用特征值建立西瓜貯藏時間的檢測模型。建立模型首先需要確定最佳激勵—接收點，從上述相關性分析基礎上能夠得到測試西瓜樣品的最佳激勵—接收點為1-3，即激勵點為瓜梗，接收點為瓜蒂。其原因可能是該位置組合所測聲波信號為西瓜中心位置瓜瓤，在西瓜貯藏過程中，其內部發生生理變化，而中心瓜瓤生理變化比較均勻，不易受到外界環境的影響，因此該組合能獲得較好的結果。該組合中共有6個特征值，需要從中選取多個對西瓜貯藏時間影響最為顯著的特征值，建立關于貯藏時間的多元線性回歸方程，為檢測上市西瓜的貨架期提供依據。

表1不同函數模型的擬合結果

Table 1The fitting results of different function models

擬合方程SSER2RMSEDEFf(x)=-1.141x+251212.130.89463.6416f(x)=-0.01x2-0.83x+249.6203.550.90003.6815f(x)=-0.000425x3+0.19x2-3.31x+256.282.660.91912.4314f(x)=251.3e-0.005x217.380.90603.6916

運用SPSS軟件對6個特征值進行逐步多元線性回歸分析(SMLR)，表2為分析結果，表中t為西瓜貯藏時間。分析結果得出，當特征值取f1，f2，和Vf1時，所得到的多元線性回歸模型確定系數最高(R2=0.9313)，且標準誤差最低，證明該模型能夠較好地反映西瓜振動特性與其貯藏時間的關系。

圖8是以激勵—組合點為1-3特征值建立的矯正線性回歸圖。衡量此模型的準確度是計算其校正點與驗證點之間的誤差，從圖中可以看到，該模型標準誤差最小為0.45，最大為3.87，說明該模型能夠反映實際數據的趨勢，且準確度較高。表明采用本文方法敲擊西瓜，利用此模型可實現西瓜貯藏時間的檢測。

表2逐步多元線性回歸分析結果Table 2Analysis results of stepwise multiple linear regression

模型R2標準估計誤差F統計t=202.2-0.8f10.76423.053168.531t=122.2-0.42f1-0.086Vf10.87962.07919.494t=157.5-0.311f1-0.19f2-0.068Vf10.93131.8125.744

圖8　三個特征值建立的西瓜貯藏時間檢測線性回歸模型Fig.8　Regression model with 3 characteristic values for watermelon storage time

3　結論

本研究通過自行搭建的電子耳無損檢測系統，對西瓜進行聲學檢測，通過LabVIEW軟件接收聲波信號，完成對西瓜貯藏時間與其聲學特性的影響研究，并通過試驗證明該系統可行。確立了最佳激勵—接收點組合為1-3，即激勵點為瓜梗，接收點為瓜蒂。另外，特征值f1與貯藏時間的相關性最好，并建立了非線性函數模型，確定系數R2=0.9191。選取3個特征值建立西瓜貯藏時間的多元線性回歸模型，模型的確定系數為0.931 3。該模型的建立為西瓜采摘后的貯藏與銷售提供了品質保證，為在線無損檢測其貯藏品質打下了良好基礎。

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(責任編輯侯春曉)

Determination of storage time of watermelon based on acoustic impulse method

LU Yong1，2， LI Zhen-feng1，2，*， PU Hong-jie1，2， WANG Di-song1，2

(1.SchoolofMechanicalEngineering，JiangnanUniverity，Wuxi214000，China; 2.JiangsuKeyLaboratoryofAdvancedFoodManufacturingEquipmentandTechnology，Wuxi214000，China)

In order to study the effects of storage time on acoustic properties of watermelons， the changes of vibration response frequency of watermelon were studied by the way of percussion with the vibration detection system designed by our lab. The results showed that the first response fundamental frequency had a good correlation with storage time， and then a nonlinear function model was established， the correlation coefficient was 0.919 1. By selecting multiple vibration eigenvalues， a multiple linear regression model was established to describe storage time. Test analysis of the watermelon samples showed that it could get the best measurement model when placing the excitation and receiving points at the watermelon’s stem and stalk， respectively. The correlation coefficient and standard estimation error of this model was 0.931 3 and 1.8120， respectively. It provided a reference for the storage and sale of watermelon after picking.

watermelon; tapping vibration; storage time; multiple linear regression

10.3969/j.issn.1004-1524.2016.04.22

2015-08-25

江蘇省食品先進制造裝備技術重點實驗室開放課題(BM2013001)；江蘇省產學研聯合創新資金(BY2014023-32)；江南大學基本科研青年基金項目(1072050205134580)

陸勇(1990—)，男，江蘇南通人，碩士研究生，研究方向為食品無損檢測。E-mail: 663714882@qq.com

，李臻峰，E-mail: 1290500137@qq.com

S651

A

1004-1524(2016)04-0682-06

陸勇， 李臻峰， 浦宏杰， 等. 基于聲振法的西瓜貯藏時間檢測[J]. 浙江農業學報， 2016， 28(4): 682-687.