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第四章食品的力学声学和第一页，本课件共有35页n在在弹弹性性范范围围内内大大多多数数材材料料服服从从虎虎克克定定律律，即即变变形形与与受受力力成成正正比比。纵纵向向应应力力与与纵纵向向应应变变的的比比例例常数就是材料的弹性模量常数就是材料的弹性模量E，也叫杨氏模量。，也叫杨氏模量。n在在比比例例极极限限内内，材材料料所所受受应应力力如如拉拉伸伸，压压缩缩，弯弯曲曲，扭扭曲曲，剪剪切切等等）与与材材料料产产生生的的相相应应应应变变之比，用公斤之比，用公斤/厘米厘米2帕帕表示表示 第二页，本课件共有35页n阻阻尼尼(damping),又又称称内内耗耗(internal f riction),是是指指材材料料在在振振动动中中由由于于内内部部原原因因引引起起机机械械振振动动能能消消耗耗的的现现象象。阻阻尼尼性性能能通通常常又又称称为为减减振振性性能能,是是材材料料的的一一种种功功能能特特性性 n固有频率的定义就是无阻尼时振动系统的特征值固有频率的定义就是无阻尼时振动系统的特征值 n精精确确地地说说：实实际际系系统统的的固固有有频频率率是是理理论论值值，也也是是无无法法直直接接精确测量的，因为系统有阻尼。精确测量的，因为系统有阻尼。n泊泊松松比比 poissons ratio:在在材材料料的的比比例例极极限限内内，由由均均匀匀分分布布的的纵纵向向应应力力所所引引起起的的横横向向应应变变与与相相应应的的纵纵向向应应变变之之比的绝对值。比的绝对值。第三页，本课件共有35页食食品品与与农农产产品品的的力力学学、声声学学和和电电学学特特性性，是是其其物物理理性性质质中中十十分分重重要要的的内内容容，不不仅仅是是设设计计相相关关加加工工机机械械、加加工工工工艺艺的的理理论论依依据据，而而且且是是对对食食品品与与农农产产品品进进行行品品质质评评价价的的主主要要指指标标。食食品品与与农农产产品品的的力力学学、声声学学和和电电学学特特性性与与食食品品与与农农产产品品的的生生化化变变化化、变变质质情情况况有有着着密密切切关关系系，通通过过力力学学、声声学学和和电电学学性性质质的的测测定定，可以把握食品与农产品的品质变化。可以把握食品与农产品的品质变化。第四页，本课件共有35页n力力学学检检测测研研究究的的是是物物料料的的力力学学特特性性检检测测，它它包包括括质质量量、应应力力、硬硬度度、振振动动以以及及冲冲击击作作用用下下的的各种响应等，每个项目包括的内容都很丰富。各种响应等，每个项目包括的内容都很丰富。一、食品与农产品品质检测中常用的力学特性一、食品与农产品品质检测中常用的力学特性第五页，本课件共有35页n利利用用食食品品与与农农产产品品的的力力学学特特性性进进行行品品质质的的检检测测是是无无损损检检测测最最为为常常用用的的方方法法之之一一，在在生生产产过过程程中中许许多多力力学学特特性性需需要要及及时时的的检检测测，以以便便及及时时控控制其生产过程。制其生产过程。第六页，本课件共有35页n面包面包 泊泊松松比比可可以以衡衡量量面面包包等等膨膨松松食食品品的的膨膨松松程程度度；在在面面包包生生产产中中，面面团团的的流流变变特特性性直直接接影影响响到到面包的质量。面包的质量。n泊松比泊松比 poissons ratio:在材料的比例极限内，在材料的比例极限内，由均匀分布的纵向应力所引起的横向应变与相应由均匀分布的纵向应力所引起的横向应变与相应的纵向应变之比的绝对值。的纵向应变之比的绝对值。第七页，本课件共有35页n乳制品乳制品 乳乳制制品品的的表表观观黏黏度度具具有有重重要要意意义义，如如在在浓浓缩缩过过程程中中，可可以以用用表表观观黏黏度度的的变变化化确确定定其其浓浓缩缩点点，在在炼炼乳乳生生产产中中，更更需需要要精精确确地地控控制制其其黏黏度度，因因为为表表观观黏黏度度过过大大会会导导致致变变稠稠，过低则可能出现脂肪分离与糖沉淀。过低则可能出现脂肪分离与糖沉淀。第八页，本课件共有35页n因因此此，在在生生产产过过程程中中及及时时快快速速地地检检测测各各种种力力学学特特性性变变化化，对对提提高高产产品品的的质质量量和和生生产产水平起到至关重要的作用。水平起到至关重要的作用。第九页，本课件共有35页n农农产产品品的的力力学学特特性性是是其其成成熟熟状状态态和和品品质质的的一一个个重重要要指指标标。果果蔬蔬生生长长和和存存储储过过程程中中，细细胞胞间间的的结结合合力力变变小小。除除此此之之外外物物料料的的质质量量、表表面面和和内内部部颜颜色色、形形状状、硬硬度度、黏黏度度等等物物理理指指标标均均会会产产生一系列的变化。生一系列的变化。农产品农产品第十页，本课件共有35页n(1)(1)坚实度检测坚实度检测 n坚坚实实度度是是反反映映细细胞胞间间结结合合力力变变化化的的物物理理指指标标。目目前前坚坚实实度度检检查查的的常常用用方方法法是是M MT T戳戳穿穿试试验验方方法法(M(MT)T)。该该方方法法是是用用一一定定直直径径的的钢钢制制压压头头，按按一一定定的的压压缩缩速速度度对对果果蔬蔬进进行行压压缩缩试试验验，同同时时测测量量压压缩缩力力，压压缩缩力力的的最最大大值值称称为为其其坚坚实实度度。M MT T戳戳穿穿试试验验简简单单易易行行，但但M MT T戳戳穿穿试试验验是是损损伤伤性性的的，不不可可能能逐逐个个检检验验，大大样样本本的的试试验验无无法法实实现现。另另外外，果蔬不同位置的果蔬不同位置的M MT T试验的结果有较大的差异。试验的结果有较大的差异。第十一页，本课件共有35页n(2)(2)硬度的检测硬度的检测 n硬硬度度是是表表示示物物体体软软硬硬程程度度的的量量。它它主主要要取取决决于于物物体体本本身身的的弹弹性性模模量量、屈屈服服强强度度、塑塑性性、脆脆性性以以至至内内部部分分子子结结构构、结结晶晶状状态态及及原原于于间间的的键键结结合合力力等等因因素素。硬硬度度的的检检测测方方法法可可以以分分成成静静负负荷荷和动负荷两种。和动负荷两种。第十二页，本课件共有35页n振振动动是是物物体体在在某某一一个个位位置置作作往往复复运运动动的的物物理理现现象象。物物体体的的振振动动可可用用振振幅幅、振振动动加加速速度度、振振动动频频率率等等振振动动参参数数来来表表征征。振振动动检检测往往把振动的机械能转换成电量来检测。测往往把振动的机械能转换成电量来检测。第十三页，本课件共有35页n农农产产品品种种类类繁繁多多，组组成成复复杂杂，对对于于不不同同状状态态的的农农产产品品进进行行品品质质检检测测时时常常用用的的力力学学特特性性主主要要有有下下面面的内容：的内容：(1)(1)固固体体物物料料的的力力学学特特性性主主要要包包含含质质量量(重重量量)、密度、应力屈服强度、硬度、松弛等；密度、应力屈服强度、硬度、松弛等；(2)(2)散散粒粒体体的的力力学学特特性性包包含含摩摩擦擦、黏黏附附、变变形形、流动等；流动等；(3)(3)液液体体物物料料的的力力学学特特性性主主要要包包含含流流体体力力学学特特性性、流变特性、黏性、黏弹性等。流变特性、黏性、黏弹性等。第十四页，本课件共有35页n果果蔬蔬坚坚实实度度、硬硬度度与与成成熟熟度度的的关关系系极极大大，下下面面着重介绍它们的无损检测方法。着重介绍它们的无损检测方法。n随随着着果果蔬蔬的的生生长长期期和和贮贮藏藏时时间间的的不不同同，果果蔬蔬的的坚坚实实度度也也在在不不断断地地变变化化，坚坚实实度度的的变变化化可可以以客客观观地地反反映映出出果果蔬蔬内内部部品品质质的的变变化化。坚坚实实度度的的检检测主要应用在以下三方面：测主要应用在以下三方面：二、力学特性的检测技术二、力学特性的检测技术第十五页，本课件共有35页n(1)(1)对对生生长长中中果果蔬蔬的的成成热热度度进进行行监监测测和和分分析析，决决定合适的收获期；定合适的收获期；n(2)(2)对收获的果蔬按其成熟度分级，以便存储；对收获的果蔬按其成熟度分级，以便存储；n(3)(3)果蔬内部品质的检测，保鲜、存储期的确定。果蔬内部品质的检测，保鲜、存储期的确定。第十六页，本课件共有35页n在在果果蔬蔬坚坚实实度度无无损损检检测测中中果果蔬蔬组组织织的的弹弹性性模模量量是是一一个个重重要要的的基基本本参参数数。由由于于果果蔬蔬组组织织材材料料的的复复杂杂性性，模模量量测测量量结结果果受受其其形形状状、大大小小、密密度度等等因因素素影影响响。另另外外测测量量传传感感器器和和施施加加力力的的位位置和方向也会影响其测量结果。置和方向也会影响其测量结果。第十七页，本课件共有35页n在在较较早早的的研研究究中中，一一般般将将果果蔬蔬视视为为各各向向同同性性的的线线性性材材料料，在在2020世世纪纪7070年年代代，就就有有人人注注意意到到果果蔬蔬切切割割的的方方法法、位位置置及及方方向向会会影影响响对对其其物物理理参参数数的的估估计计，并并对对苹苹果果的的材材料料性性能能做做了了详详细细的的研研究，证实了果蔬组织的时变特性和各向异性。究，证实了果蔬组织的时变特性和各向异性。第十八页，本课件共有35页n利利用用果果蔬蔬振振动动的的固固有有频频率率检检测测其其坚坚实实度度为为众众多多学学者者所所关关注注。虽虽然然他他们们的的测测量量方方法法和和技技术术不不完完全全相相同同，但但其其原原理理是是一一致致的的。CookeCooke等等建建立立了了简简化化为为线线弹弹性性球球体体的的果果蔬蔬动动力力学学模模型型，并并通通过过理理论论分分析析得得到到了了各各向向同同性性线线弹弹性性球球状状果蔬的固有频率与其材料弹性模量果蔬的固有频率与其材料弹性模量E E的关系为：的关系为：(一一)利用振动频率检测果蔬坚实度的方法利用振动频率检测果蔬坚实度的方法第十九页，本课件共有35页第二十页，本课件共有35页n经经测测量量得得到到固固有有频频率率f f 后后，由由上上式式可可以以估估算算出出果果蔬蔬的的弹弹性性模模量量E E，从从而而确确定定其其坚坚实实度。度。第二十一页，本课件共有35页nArmstrongArmstrong等等用用冲冲击击振振动动产产生生的的噪噪声声和和振振动动信信号号分分别别研研究究了了苹苹果果和和桃桃子子的的坚坚实实度度。将将测测得得的的弹弹性性模模量量与与试试样样压压缩缩试试验验得得到到的的弹弹性性模模量量和和M MT T坚坚实实度度试试验验结结果果进进行行了了对对比比。结结果果表表明明，前前两两种种方方法法得得到到的的弹弹性性模模量量相相关关性性较较好好，相相关关系系数数均均在在0.750.75以以上上，但但与与M MT T试试验验结结果果相相关关性性较较差差，相相关关系系数数仅仅为为0.270.27。第二十二页，本课件共有35页nShmulevichShmulevich等等用用压压电电薄薄膜膜作作为为传传感感器器研研究究了了苹苹果果的的固固有有频频率率与与坚坚实实度度的的关关系系，目目的的是是要要开开发发一一种种能能满满足足果果蔬蔬在在线线分分级级要要求求(达达到到5-105-10个个/s)/s)的的技技术术，他他们们指指出出，期期望望无无损损检检测测的的坚坚实实度度与与M MT T试试验验结结果果有有良良好好相相关关是是不不现现实实的的，因因为为M MT T测测量量的的是是果果蔬蔬组组织织材材料料压压缩缩和和剪剪切切共共同同引引起起的的破破坏坏强强度度。因因此此，M MT T试试验验结结果果受受压压缩缩和和剪剪切切弹弹性性模模量量的的共共同同影影响响，而而振振动动固固有有频频率率无无损损检检测测的的坚坚实实度度仅仅与与压压缩弹性模量有关。缩弹性模量有关。第二十三页，本课件共有35页n对对西西瓜瓜的的坚坚实实度度研研究究也也取取得得了了较较好好的的结结果果，西西瓜瓜的的固固有有频频率率随随成成熟熟度度的的增增加加而而降降低低，坚坚实实度度指数与含糖量也存在明显的相关关系。指数与含糖量也存在明显的相关关系。n果果蔬蔬坚坚实实度度的的研研究究对对果果蔬蔬按按成成熟熟度度分分级级，果果蔬蔬存存储储过过程程的的检检测测有有很很大大的的实实用用价价值值。但但目目前前的的研研究究成成果果距距实实用用仍仍有有较较大大差差距距，有有些些基基本本理理论论的的问问题题尚尚不不清清楚楚。从从发发展展趋趋势势来来看看，无无损损检检验验方法将会替代方法将会替代M-TM-T等损伤检验方法。等损伤检验方法。第二十四页，本课件共有35页n(二二)利用冲击力检测果蔬坚实度的方法利用冲击力检测果蔬坚实度的方法n利利用用冲冲击击力力检检测测果果蔬蔬坚坚实实度度的的力力学学原原理理是是弹弹性性球球体体对对刚刚性性平平面面的的跌跌落落冲冲击击问问题题。冲冲击击力力与与弹弹性性球球(即即果果蔬蔬)的的质质量量、几几何何尺尺寸寸、材材料料弹弹性性模模量量等等参参数数有有关关。通通过过测测得得的的冲冲击击力力估估计计或或计计算算出出材材料料的的弹弹性性模模量量，并并与与坚坚实实度度联联系系起起来来是是研研究的核心。究的核心。第二十五页，本课件共有35页n有有些些科科技技工工作作者者提提出出了了一一种种非非线线性性的的球球体体与与平平板板冲冲击击的的力力学学模模型型，并并通通过过最最小小二二乘乘法法拟拟合合出出球球体体的的刚刚度度。利利用用这这一一原原理理开开发发了了一一种种可可记记录录梨梨、桃桃等等果果蔬蔬受受力力与与变变形形的的试试验验装装置置。这这种种方方法法需需要要抓抓取取果果蔬蔬，并并在在果果蔬蔬表表面面安安装装传传感感器器，所以用于自动在线分级比较困难。所以用于自动在线分级比较困难。第二十六页，本课件共有35页nBluberryBluberry等等设设计计了了测测量量果果蔬蔬跌跌落落在在刚刚性性平平板板的的冲冲击击力力的的装装置置，可可利利用用冲冲击击力力的的特特征征预预测测果果蔬蔬的的坚坚实实度度。通通过过对对冲冲击击力力信信号号进进行行傅傅立立叶叶变变换换，发发现现未成熟的坚硬果蔬冲击力响应中含高频成分较多。未成熟的坚硬果蔬冲击力响应中含高频成分较多。nNahirNahir和和StephensonStephenson研研究究了了番番茄茄的的冲冲击击力力时时域域特特征征，并并用用于于番番茄茄坚坚实实度度分分级级。他他们们开开发发了了一一种种传传送送带带，将将番番茄茄从从7cm7cm高高度度落落在在力力传传感感器器上上，根根据据冲冲击击力力估估计计番番茄茄的的坚坚实实度度，可可将将番番茄茄分分成成3 3个个等等级。级。第二十七页，本课件共有35页n采采收收后后的的水水果果往往往往是是不不同同成成熟熟度度(过过成成熟熟、刚刚成成熟熟和和未未成成熟熟)相相混混杂杂。过过熟熟的的水水果果极极易易受受机机械械损损伤伤、变变质质腐腐烂烂，影影响响其其他他水水果果；不不同同成成熟熟度度的的水水果果品品味味不不一一样样，其其贮贮藏藏、运运输输和和加加工工要要求求也也不同。因此，实现水果按成熟度分级十分必要。不同。因此，实现水果按成熟度分级十分必要。第二十八页，本课件共有35页n通通常常成成熟熟度度判判断断大大都都采采用用破破坏坏方方法法，如如硬硬度度、糖糖酸酸度度测测量量；也也有有非非破破坏坏法法，如如按按颜颜色色、呼呼吸吸强强度度进进行行分分类类等等，但但一一般般只只能能作作定定性性判判断断，不不适适用用于于机机械械化化自自动动分分级级。而而用用手手工工和和目目测测进进行行成成熟熟度度分分级级，精精确确度度差差、生生产产率率低低。一一般般来来说说，成成熟熟度度与与硬硬度度之之间间也也有有相相关关关关系系，为为此此，通通过过研研究究与与硬硬度度有有关关的的水水果果冲冲击击力力学学特特性性，建建立立起起恢恢复复系系数数、能能量量吸吸收收率率和和冲冲击击力力时时间间特特性性参参数数等等与与硬硬度度关关系系的的数数学学模模型型，可可为为设设计计水水果果快快速速检检测测仪仪和和自自动动分分级级机提供科学依据。机提供科学依据。第二十九页，本课件共有35页n西西瓜瓜内内部部结结构构分分为为瓜瓜皮皮和和瓜瓜瓤瓤。从从力力学学角角度度看看，瓜瓜瓤瓤各各部部位位性性能能相相差差较较大大，瓜瓜瓤瓤又又可可分分为为3 3层层，第第1 1层层为为接接近近瓜瓜皮皮部部分分，第第2 2层层为为中中间间层层，第第3 3层层为中心部分。为中心部分。举例：西瓜成熟度的检测举例：西瓜成熟度的检测第三十页，本课件共有35页n西西瓜瓜在在成成熟熟过过程程中中，瓜瓜皮皮的的硬硬度度和和弹弹性性模模量量逐逐渐渐增增加加，但但内内部部瓜瓜瓤瓤组组织织细细胞胞间间的的结结合合力力随随西西瓜瓜的的逐逐渐渐成成熟熟而而变变小小。因因此此，瓜瓜瓤瓤变变得得松松、脆脆，瓜瓜瓤瓤的的弹弹性性模模量量随随西西瓜瓜的的成成熟熟逐逐渐渐变变小小。为为了了解解西西瓜瓜各各部部位位的的力力学学性性能能和和数数值值模模拟拟计计算算的的方方便便，对对某某一一品品种种西西瓜瓜的的皮皮、瓤瓤弹弹性性模模量量进进行行了了试验测量，表试验测量，表4-14-1给出了对应的检测数据。给出了对应的检测数据。第三十一页，本课件共有35页n 试试验验表表明明，瓜瓜皮皮的的弹弹性性模模量量是是瓜瓜瓤瓤的的5倍倍左左右右，瓜瓜瓤瓤的的各各部部分分弹弹性性模模量量也也不不相相同同，但但差差异异不不显显著著；从从两两个个西西瓜瓜的的对对比比来来看看，瓜瓜皮皮之之间间的的弹弹性性模模量量差差别别不不大大(10)，而而瓜瓜瓤瓤的的弹弹性性模模量量则则差差别别较较大大(20以以上上)。所所以以，可可以以采采用用冲冲击击振振动动方方法法无无损损检检测测西西瓜的成熟度。瓜的成熟度。第三十二页，本课件共有35页冲击振动响应方法检测西瓜成熟度的原理冲击振动响应方法检测西瓜成熟度的原理n西西瓜瓜外外形形一一般般为为不不规规则则的的椭椭球球状状，但但其其长长、短短轴轴相相差差较较小小，作作为为近近似似和和简简化化，西西瓜瓜可可以以视视为为多多层层球球状状弹弹性性体体。当当其其受受到到瞬瞬态态冲冲击击时时，球球体体将将产产生生振振动动响响应应。按按照照弹弹性性体体振振动动理理论论，由由冲冲击击造造成成的的振振动动响响应应频频率率是是弹弹性性体体的的固固有有频频率率。球球体体的的固固有有频频率率与与其其材材料料的的密密度度、几几何何尺尺寸寸和和弹弹性性模模量量等等因因素素有有关关，可可由由球球体体振振动动的的微微分分方方程程解解出出，也也可可以以通过实验得到。通过实验得到。第三十三页，本课件共有35页n可可以以证证明明，球球体体的的拉拉压压弹弹性性模模量量E与与固固有有频频率率f、质质量量m之之间间的的关关系系为为：E f2m2/3。可可见见，当当已已知知西西瓜瓜的的固固有有频频率率和和质质量量后后，就就可以确定其弹性模量。可以确定其弹性模量。第三十四页，本课件共有35页n采采用用锤锤击击激激励励，测测量量瞬瞬态态激激励励产产生生的的响响应应。激激励励力力和和振振动动响响应应信信号号经经电电荷荷放放大大器器放放大大后后送送至至动动态态信信号号分分析析仪仪，经经过过快快速速傅傅立立叶叶变变换换运运算算（FFT）得得到到西西瓜瓜的的频频率率响响应应函函数数，经过函数分析得到固有频率。经过函数分析得到固有频率。第三十五页，本课件共有35页