第四章食品的力學(xué)聲學(xué)和

第四章食品的力學(xué)聲學(xué)和第一頁，共三十五頁，2022年，8月28日在彈性范圍內(nèi)大多數(shù)材料服從虎克定律，即變形與受力成正比?？v向應(yīng)力與縱向應(yīng)變的比例常數(shù)就是材料的彈性模量E，也叫楊氏模量。在比例極限內(nèi)，材料所受應(yīng)力如拉伸，壓縮，彎曲，扭曲，剪切等）與材料產(chǎn)生的相應(yīng)應(yīng)變之比，用公斤/厘米2[帕]表示第二頁，共三十五頁，2022年，8月28日阻尼(damping),又稱內(nèi)耗(internalfriction),是指材料在振動(dòng)中由于內(nèi)部原因引起機(jī)械振動(dòng)能消耗的現(xiàn)象。阻尼性能通常又稱為減振性能,是材料的一種功能特性固有頻率的定義就是無阻尼時(shí)振動(dòng)系統(tǒng)的特征值精確地說：實(shí)際系統(tǒng)的固有頻率是理論值，也是無法直接精確測(cè)量的，因?yàn)橄到y(tǒng)有阻尼。泊松比poisson’sratio:在材料的比例極限內(nèi)，由均勻分布的縱向應(yīng)力所引起的橫向應(yīng)變與相應(yīng)的縱向應(yīng)變之比的絕對(duì)值。第三頁，共三十五頁，2022年，8月28日食品與農(nóng)產(chǎn)品的力學(xué)、聲學(xué)和電學(xué)特性，是其物理性質(zhì)中十分重要的內(nèi)容，不僅是設(shè)計(jì)相關(guān)加工機(jī)械、加工工藝的理論依據(jù)，而且是對(duì)食品與農(nóng)產(chǎn)品進(jìn)行品質(zhì)評(píng)價(jià)的主要指標(biāo)。食品與農(nóng)產(chǎn)品的力學(xué)、聲學(xué)和電學(xué)特性與食品與農(nóng)產(chǎn)品的生化變化、變質(zhì)情況有著密切關(guān)系，通過力學(xué)、聲學(xué)和電學(xué)性質(zhì)的測(cè)定，可以把握食品與農(nóng)產(chǎn)品的品質(zhì)變化。第四頁，共三十五頁，2022年，8月28日力學(xué)檢測(cè)研究的是物料的力學(xué)特性檢測(cè)，它包括質(zhì)量、應(yīng)力、硬度、振動(dòng)以及沖擊作用下的各種響應(yīng)等，每個(gè)項(xiàng)目包括的內(nèi)容都很豐富。一、食品與農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)檢測(cè)中常用的力學(xué)特性第五頁，共三十五頁，2022年，8月28日利用食品與農(nóng)產(chǎn)品的力學(xué)特性進(jìn)行品質(zhì)的檢測(cè)是無損檢測(cè)最為常用的方法之一，在生產(chǎn)過程中許多力學(xué)特性需要及時(shí)的檢測(cè)，以便及時(shí)控制其生產(chǎn)過程。第六頁，共三十五頁，2022年，8月28日面包

泊松比可以衡量面包等膨松食品的膨松程度；在面包生產(chǎn)中，面團(tuán)的流變特性直接影響到面包的質(zhì)量。泊松比poisson’sratio:在材料的比例極限內(nèi)，由均勻分布的縱向應(yīng)力所引起的橫向應(yīng)變與相應(yīng)的縱向應(yīng)變之比的絕對(duì)值。第七頁，共三十五頁，2022年，8月28日乳制品乳制品的表觀黏度具有重要意義，如在濃縮過程中，可以用表觀黏度的變化確定其濃縮點(diǎn)，在煉乳生產(chǎn)中，更需要精確地控制其黏度，因?yàn)楸碛^黏度過大會(huì)導(dǎo)致變稠，過低則可能出現(xiàn)脂肪分離與糖沉淀。第八頁，共三十五頁，2022年，8月28日因此，在生產(chǎn)過程中及時(shí)快速地檢測(cè)各種力學(xué)特性變化，對(duì)提高產(chǎn)品的質(zhì)量和生產(chǎn)水平起到至關(guān)重要的作用。第九頁，共三十五頁，2022年，8月28日農(nóng)產(chǎn)品的力學(xué)特性是其成熟狀態(tài)和品質(zhì)的一個(gè)重要指標(biāo)。果蔬生長(zhǎng)和存儲(chǔ)過程中，細(xì)胞間的結(jié)合力變小。除此之外物料的質(zhì)量、表面和內(nèi)部顏色、形狀、硬度、黏度等物理指標(biāo)均會(huì)產(chǎn)生一系列的變化。農(nóng)產(chǎn)品第十頁，共三十五頁，2022年，8月28日(1)堅(jiān)實(shí)度檢測(cè)

堅(jiān)實(shí)度是反映細(xì)胞間結(jié)合力變化的物理指標(biāo)。目前堅(jiān)實(shí)度檢查的常用方法是M—T戳穿試驗(yàn)方法(M—T)。該方法是用一定直徑的鋼制壓頭，按一定的壓縮速度對(duì)果蔬進(jìn)行壓縮試驗(yàn)，同時(shí)測(cè)量壓縮力，壓縮力的最大值稱為其堅(jiān)實(shí)度。M—T戳穿試驗(yàn)簡(jiǎn)單易行，但M—T戳穿試驗(yàn)是損傷性的，不可能逐個(gè)檢驗(yàn)，大樣本的試驗(yàn)無法實(shí)現(xiàn)。另外，果蔬不同位置的M—T試驗(yàn)的結(jié)果有較大的差異。第十一頁，共三十五頁，2022年，8月28日(2)硬度的檢測(cè)

硬度是表示物體軟硬程度的量。它主要取決于物體本身的彈性模量、屈服強(qiáng)度、塑性、脆性以至內(nèi)部分子結(jié)構(gòu)、結(jié)晶狀態(tài)及原于間的鍵結(jié)合力等因素。硬度的檢測(cè)方法可以分成靜負(fù)荷和動(dòng)負(fù)荷兩種。第十二頁，共三十五頁，2022年，8月28日振動(dòng)是物體在某一個(gè)位置作往復(fù)運(yùn)動(dòng)的物理現(xiàn)象。物體的振動(dòng)可用振幅、振動(dòng)加速度、振動(dòng)頻率等振動(dòng)參數(shù)來表征。振動(dòng)檢測(cè)往往把振動(dòng)的機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電量來檢測(cè)。第十三頁，共三十五頁，2022年，8月28日農(nóng)產(chǎn)品種類繁多，組成復(fù)雜，對(duì)于不同狀態(tài)的農(nóng)產(chǎn)品進(jìn)行品質(zhì)檢測(cè)時(shí)常用的力學(xué)特性主要有下面的內(nèi)容：

(1)固體物料的力學(xué)特性主要包含質(zhì)量(重量)、密度、應(yīng)力屈服強(qiáng)度、硬度、松弛等；

(2)散粒體的力學(xué)特性包含摩擦、黏附、變形、流動(dòng)等；

(3)液體物料的力學(xué)特性主要包含流體力學(xué)特性、流變特性、黏性、黏彈性等。第十四頁，共三十五頁，2022年，8月28日果蔬堅(jiān)實(shí)度、硬度與成熟度的關(guān)系極大，下面著重介紹它們的無損檢測(cè)方法。隨著果蔬的生長(zhǎng)期和貯藏時(shí)間的不同，果蔬的堅(jiān)實(shí)度也在不斷地變化，堅(jiān)實(shí)度的變化可以客觀地反映出果蔬內(nèi)部品質(zhì)的變化。堅(jiān)實(shí)度的檢測(cè)主要應(yīng)用在以下三方面：二、力學(xué)特性的檢測(cè)技術(shù)第十五頁，共三十五頁，2022年，8月28日(1)對(duì)生長(zhǎng)中果蔬的成熱度進(jìn)行監(jiān)測(cè)和分析，決定合適的收獲期；(2)對(duì)收獲的果蔬按其成熟度分級(jí)，以便存儲(chǔ)；(3)果蔬內(nèi)部品質(zhì)的檢測(cè)，保鮮、存儲(chǔ)期的確定。第十六頁，共三十五頁，2022年，8月28日在果蔬堅(jiān)實(shí)度無損檢測(cè)中．果蔬組織的彈性模量是一個(gè)重要的基本參數(shù)。由于果蔬組織材料的復(fù)雜性，模量測(cè)量結(jié)果受其形狀、大小、密度等因素影響。另外測(cè)量傳感器和施加力的位置和方向也會(huì)影響其測(cè)量結(jié)果。第十七頁，共三十五頁，2022年，8月28日在較早的研究中，一般將果蔬視為各向同性的線性材料，在20世紀(jì)70年代，就有人注意到果蔬切割的方法、位置及方向會(huì)影響對(duì)其物理參數(shù)的估計(jì)，并對(duì)蘋果的材料性能做了詳細(xì)的研究，證實(shí)了果蔬組織的時(shí)變特性和各向異性。第十八頁，共三十五頁，2022年，8月28日利用果蔬振動(dòng)的固有頻率檢測(cè)其堅(jiān)實(shí)度為眾多學(xué)者所關(guān)注。雖然他們的測(cè)量方法和技術(shù)不完全相同，但其原理是一致的。Cooke等建立了簡(jiǎn)化為線彈性球體的果蔬動(dòng)力學(xué)模型，并通過理論分析得到了各向同性線彈性球狀果蔬的固有頻率與其材料彈性模量E的關(guān)系為：(一)利用振動(dòng)頻率檢測(cè)果蔬堅(jiān)實(shí)度的方法第十九頁，共三十五頁，2022年，8月28日第二十頁，共三十五頁，2022年，8月28日經(jīng)測(cè)量得到固有頻率f后，由上式可以估算出果蔬的彈性模量E，從而確定其堅(jiān)實(shí)度。第二十一頁，共三十五頁，2022年，8月28日Armstrong等用沖擊振動(dòng)產(chǎn)生的噪聲和振動(dòng)信號(hào)分別研究了蘋果和桃子的堅(jiān)實(shí)度。將測(cè)得的彈性模量與試樣壓縮試驗(yàn)得到的彈性模量和M—T堅(jiān)實(shí)度試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。結(jié)果表明，前兩種方法得到的彈性模量相關(guān)性較好，相關(guān)系數(shù)均在0.75以上，但與M—T試驗(yàn)結(jié)果相關(guān)性較差，相關(guān)系數(shù)僅為0.27。第二十二頁，共三十五頁，2022年，8月28日Shmulevich等用壓電薄膜作為傳感器研究了蘋果的固有頻率與堅(jiān)實(shí)度的關(guān)系，目的是要開發(fā)一種能滿足果蔬在線分級(jí)要求(達(dá)到5-10個(gè)/s)的技術(shù)，他們指出，期望無損檢測(cè)的堅(jiān)實(shí)度與M—T試驗(yàn)結(jié)果有良好相關(guān)是不現(xiàn)實(shí)的，因?yàn)镸—T測(cè)量的是果蔬組織材料壓縮和剪切共同引起的破壞強(qiáng)度。因此，M—T試驗(yàn)結(jié)果受壓縮和剪切彈性模量的共同影響，而振動(dòng)固有頻率無損檢測(cè)的堅(jiān)實(shí)度僅與壓縮彈性模量有關(guān)。第二十三頁，共三十五頁，2022年，8月28日對(duì)西瓜的堅(jiān)實(shí)度研究也取得了較好的結(jié)果，西瓜的固有頻率隨成熟度的增加而降低，堅(jiān)實(shí)度指數(shù)與含糖量也存在明顯的相關(guān)關(guān)系。果蔬堅(jiān)實(shí)度的研究對(duì)果蔬按成熟度分級(jí)，果蔬存儲(chǔ)過程的檢測(cè)有很大的實(shí)用價(jià)值。但目前的研究成果距實(shí)用仍有較大差距，有些基本理論的問題尚不清楚。從發(fā)展趨勢(shì)來看，無損檢驗(yàn)方法將會(huì)替代M-T等損傷檢驗(yàn)方法。第二十四頁，共三十五頁，2022年，8月28日(二)利用沖擊力檢測(cè)果蔬堅(jiān)實(shí)度的方法利用沖擊力檢測(cè)果蔬堅(jiān)實(shí)度的力學(xué)原理是彈性球體對(duì)剛性平面的跌落沖擊問題。沖擊力與彈性球(即果蔬)的質(zhì)量、幾何尺寸、材料彈性模量等參數(shù)有關(guān)。通過測(cè)得的沖擊力估計(jì)或計(jì)算出材料的彈性模量，并與堅(jiān)實(shí)度聯(lián)系起來是研究的核心。第二十五頁，共三十五頁，2022年，8月28日有些科技工作者提出了一種非線性的球體與平板沖擊的力學(xué)模型，并通過最小二乘法擬合出球體的剛度。利用這一原理開發(fā)了一種可記錄梨、桃等果蔬受力與變形的試驗(yàn)裝置。這種方法需要抓取果蔬，并在果蔬表面安裝傳感器，所以用于自動(dòng)在線分級(jí)比較困難。第二十六頁，共三十五頁，2022年，8月28日Bluberry等設(shè)計(jì)了測(cè)量果蔬跌落在剛性平板的沖擊力的裝置，可利用沖擊力的特征預(yù)測(cè)果蔬的堅(jiān)實(shí)度。通過對(duì)沖擊力信號(hào)進(jìn)行傅立葉變換，發(fā)現(xiàn)未成熟的堅(jiān)硬果蔬沖擊力響應(yīng)中含高頻成分較多。Nahir和Stephenson研究了番茄的沖擊力時(shí)域特征，并用于番茄堅(jiān)實(shí)度分級(jí)。他們開發(fā)了一種傳送帶，將番茄從7cm高度落在力傳感器上，根據(jù)沖擊力估計(jì)番茄的堅(jiān)實(shí)度，可將番茄分成3個(gè)等級(jí)。第二十七頁，共三十五頁，2022年，8月28日采收后的水果往往是不同成熟度(過成熟、剛成熟和未成熟)相混雜。過熟的水果極易受機(jī)械損傷、變質(zhì)腐爛，影響其他水果；不同成熟度的水果品味不一樣，其貯藏、運(yùn)輸和加工要求也不同。因此，實(shí)現(xiàn)水果按成熟度分級(jí)十分必要。第二十八頁，共三十五頁，2022年，8月28日通常成熟度判斷大都采用破壞方法，如硬度、糖酸度測(cè)量；也有非破壞法，如按顏色、呼吸強(qiáng)度進(jìn)行分類等，但一般只能作定性判斷，不適用于機(jī)械化自動(dòng)分級(jí)。而用手工和目測(cè)進(jìn)行成熟度分級(jí)，精確度差、生產(chǎn)率低。一般來說，成熟度與硬度之間也有相關(guān)關(guān)系，為此，通過研究與硬度有關(guān)的水果沖擊力學(xué)特性，建立起恢復(fù)系數(shù)、能量吸收率和沖擊力時(shí)間特性參數(shù)等與硬度關(guān)系的數(shù)學(xué)模型，可為設(shè)計(jì)水果快速檢測(cè)儀和自動(dòng)分級(jí)機(jī)提供科學(xué)依據(jù)。第二十九頁，共三十五頁，2022年，8月28日西瓜內(nèi)部結(jié)構(gòu)分為瓜皮和瓜瓤。從力學(xué)角度看，瓜瓤各部位性能相差較大，瓜瓤又可分為3層，第1層為接近瓜皮部分，第2層為中間層，第3層為中心部分。舉例：西瓜成熟度的檢測(cè)第三十頁，共三十五頁，2022年，8月28日西瓜在成熟過程中，瓜皮的硬度和彈性模量逐漸增加，但內(nèi)部瓜瓤組織細(xì)胞間的結(jié)合力隨西瓜的逐漸成熟而變小。因此，瓜瓤變得松、脆，瓜瓤的彈性模量隨西瓜的成熟逐漸變小。為了解西瓜各部位的力學(xué)性能和數(shù)值模擬計(jì)算的方便，對(duì)某一品種西瓜的皮、瓤彈性模量進(jìn)行了試驗(yàn)測(cè)量，表4-1給出了對(duì)應(yīng)的檢測(cè)數(shù)據(jù)。第三十一頁，共三十五頁，2022年，8月28日試驗(yàn)表明，瓜皮的彈性模量是瓜瓤的5倍左右，瓜瓤的各部分彈性模量也不相同，但差異不顯著；從兩個(gè)西瓜的對(duì)比來看，瓜皮之間的彈性模量差別不大(10％)，而瓜瓤的彈性模量則差別較大(20％以上)。所以，可以采用沖擊振動(dòng)方法無損檢測(cè)西瓜的成熟度。第三十二頁，共三十五頁，2022年，8月28日沖擊振動(dòng)響應(yīng)方法檢測(cè)西瓜成熟度的原理西瓜外形一般為不規(guī)則的橢球狀，但其長(zhǎng)、短軸相差較小，作為近似和簡(jiǎn)化，西瓜可以視為多層球狀彈性體。當(dāng)其受到瞬態(tài)沖擊時(shí)，球體將產(chǎn)生振動(dòng)響應(yīng)。按照彈性體振動(dòng)理論，由沖擊造成的振動(dòng)響應(yīng)頻率是彈性體的固有頻率。球體的固有頻率與其材料的密度、幾何尺寸和彈性模量等因素有關(guān)，可由球體振動(dòng)的微分方程解出，也可以通過實(shí)驗(yàn)得到