粮仓中小麦的声学检测方法研究进展

罗松明 周展明

(四川农业大学食品学院1，雅安 625014)

(河南工业大学粮油食品学院2，郑州 450052)

粮仓中小麦的声学检测方法研究进展

罗松明1周展明2

(四川农业大学食品学院1，雅安 625014)

(河南工业大学粮油食品学院2，郑州 450052)

小麦的贮藏品质关系到粮食的数量安全和质量安全，对小麦品质的声学检测技术的应用研究进行了综述，首先对农产品的声学特性的概念进行了简述，然后从以下几个方面综述了声学检测技术的研究进展:通过采集并分析小麦粉调制面团过程中的声学特性测定不同小麦粉的品质;或采集并分析小麦籽粒在特定装置中的声音信号来达到测定小麦品质的目的;或通过声学方法测定粮食的密度或采集分析粮仓中害虫的声信号来监测粮仓中小麦的贮藏状态。

小麦 声学 超声波 粮食安全

小麦是世界上最主要的粮食作物之一，也是我国第二大粮食作物，我国小麦总产量仅次于水稻，居世界前列。由于小麦具有良好耐藏性［1］，许多国家都把小麦作为重要的长期储备粮。然而随着储藏时间的延长，小麦品质会逐渐地发生变化，但是小麦的不同用途往往要求小麦及其小麦粉具有特殊的品质，所以为保证小麦的最终使用品质，最大限度地减少因储存不当或过期而导致的不必要损失，对小麦的储藏品质进行检测就显得十分重要。小麦品质是小麦对某种特定用途、加工产品的适合度和满意度的综合而相对的概念，与小麦的使用目的和用途，即小麦的加工利用密切相关［2］。

目前的小麦储藏品质的检测方法，大都对被检测小麦进行破碎，属于有损检测方法，而且检测所需时间较长;而且有些检测方法还应用了感官评价方法，所以可能会因为个人的感官差异，致使测得的结果不统一，从而结果数据的可靠性不高。近年来，为了减少粮食损失和提高检测效率，声学技术、红外技术等无损检测技术在小麦储藏品质检测、通过检测粮仓中小麦的堆积密度或害虫情况来监测小麦的储藏状态等方面引起了学者们的重视。

1 声学检测技术

声学检测技术就是通过对声波在时域的分析，或者通过傅里叶变换分析声波在频率域的特性，或者研究声波与介质之间的相互变化规律，寻找声波特性与介质性质的关系，以研究媒质的力学性质和几何性质，进而达到探求媒质内部结构的目的［3］。由于声学检测技术具有非破坏性、检测速度快、设备简易、可实现在线检测等特点，利用农产品的声学特性对其品质进行无损检测和分级的基础理论和技术研究已经成为国际上农产品品质快速检测技术的重点研究方向［4］。

农产品声学特性是指农产品在声波作用下的反射特性、散射特性、透射特性、吸收特性、衰减系数、传播速度、声压及其本身的声阻抗与固有频率等，反映了声波与农产品相互作用的基本规律［5］。农产品声学特性随农产品内部组织的变化而变化，不同农产品的声学特性不同，同一种类而品质不同的农产品其声学特性往往也存在差异，故根据农产品的声学特性即可判断其品质如何，并据此进行分级［4］。

2 声学检测技术在小麦品质检测中的应用研究

2.1 小麦面团品质的声学检测技术研究

利用小麦粉的面团制作性能来评价小麦的加工适用性，是评价储藏中小麦品质的传统方法。具有不同储藏品质的小麦磨制的小麦粉具有不同的面团品质。2007年，Alava等［6］通过对30种不同用途的小麦粉及其形成的面团中超声波声速和衰减程度的测量，然后将该结果同传统的试验方法(延伸记录仪、面筋拉力测定仪)所得出的流变学数据进行相关性分析，通过分析研究后建立了超声波在面团中的衰减参数同小麦粉与面团的品质成分的相关关系，成功地实现了利用超声波法对小麦粉及其形成面团的品质检测。

2011年，García－ Alvarez等［7］利用超声波技术对35种不同物理特性和品质特性的小麦粉为原料制成的面团的超声学特性进行了试验研究，将获得的声学特征数据与小麦面团的蛋白质含量、延伸性等品质的传统检测方法进行了相关性分析，试验研究发现:在面团调制过程中，蛋白质和淀粉凝胶化共同作用而使面团发生的变化能用超声学检测方法进行检测;由于蛋白酶活性而使蛋白质降解或使面团软化的现象，使用超声学检测技术进行表征也具有一定的可行性，认为超声波技术将取代传统的检测方法成为小麦粉品质检测的一种低成本、快速的技术。

2.2 小麦储藏品质的非破坏性的声学检测技术研究

1986～1989年，Okalahoma州立大学的研究人员［8－12］对小麦等谷物的声压特性进行了试验研究，研究了谷物的声压特性与其水分含量的相关性。Friesen等［10－11］对含水量 11%～19% 的小麦样品在5～50 kHz的频率范围内的声学特性进行了分析，得到了被测小麦样品的声学信号与其水分含量的关系，得到了计算小麦水分含量的振幅－频率响应曲线的函数，在4～20 kHz的声波频率范围内，谷物在一定时间阈内的等效平均声压与谷物含水率具有明显的线性关系(相关系数大于0.95)。Ruan等［12］成功研制了一种低成本，可连续测试的声压式谷物含水率测定仪，该测定仪的测量误差为0.25%，非线性度为1.1%，动态响应时间小于7 ms。

2000年，方建军［13］采用简易试验装置采集了含水量分别为 11%、14.5%、16.4%、19.1% 的 4 组冬小麦样品的声学信号，分析了这些小麦样品的水分含量与其声学信号的声压级、频率之间的关系，研究发现在10～20 kHz范围内的声压级与粮食水分之间存在线性关系。

2002 ～2007 年，河南工业大学科研团队［3，14－21］对小麦的声学特性与其品质的关系展开了深入地研究，尤其是对小麦籽粒的声信号产生和采集装置、声学特征值的提取、相关性关系方程等方面进行了深入地研究，研究的结果表明小麦的声学特性的不同特征值与小麦籽粒的硬度、千粒重、粗蛋白含量、水分含量、品种识别等方面都表现出了较好的相关性。验证试验时，小麦籽粒的品质等数据测定的误差都较小。

2006年，Amoodeh等［22］通过对玻璃、木板和金属板3种不同平板材质以及小麦籽粒的下落高度对声信号的声压级影响进行了研究，设计了小麦等谷物的声信号产生、采集装置:谷物在一个导向槽的作用下以72 cm/s的流速持续地下落10 cm的高度后，撞击在直径150 mm并30°倾斜的玻璃材质的平板上产生声信号，放置在玻璃平板下方的麦克风接收小麦等谷物籽粒打击在玻璃平板上而产生的声波信号并转换为电信号。经研究分析，利用该装置采集到的被测小麦样品的声信号的特征参数与其水分含量具有显著的相关性(R2=0.94)，通过以3个品种的小麦进行了验证试验，该装置的最大测量误差含水量为1.25%。

3 储粮密度的声学检测技术研究

储粮密度是粮食仓储过程中的基本指标，随着仓储时间的延长，粮食呼吸作用和水分减少，粮堆密度会发生变化，粮食的容重和品质等会逐渐劣变，同时我国每年会对全国粮食库存进行审查，目前的粮食库存审查程序方法需要耗费相当大的人力、物力和财力，所以通过对储粮密度的检测技术的研究对于国家储粮有着重大的意义。

2007年，张林［23］采用传递函数法在阻抗管中对小麦、精米、糙米、大豆、稻谷、玉米6种粮食进行了声阻抗特性、吸声系数的检测，设计了粮堆声信号检测分析平台，建立了声速、声衰减系数两个粮堆声传播重要参数的准确的检测方法。结果表明:对于同品种的粮食，随着密度增加其声阻抗率变小、吸声系数变大;而对于相同密度而不同品种的粮食，粮食颗粒形状越小其声阻抗率越小、吸声系数越大。在实际仓储条件下，利用此声信号检测分析平台对小麦和玉米进行了声速和声衰减试验，通过变换声波频率得到了小麦、玉米的声速频谱和衰减频谱;证实在低频条件下声信号在粮堆中传播性较好，随着频率增加声信号在粮堆中衰减增大，但粮堆中的声速随频率变化不大;通过阻抗管对粮食中的声速和粮食密度进行了进一步探讨，在同品种粮食条件下，得到密度和其中的声速呈良好的负相关性。

4 储粮害虫的声学检测技术研究

小麦等粮食在储藏中常常遭受虫、霉、鼠等有害生物的侵害造成质和量的损失，而其主要危害来自于储粮害虫。早期测报或实时检测储粮害虫是科学储粮的关键性技术要求。

1953年Adams等［24］首次检测到受损粮食中害虫的活动声，但当时对昆虫习性认知较少而使储粮害虫检测防治方面的研究发展缓慢。1990年Hag-strum等［25］在对小麦中的成虫谷蠹的声检测研究中发现，在成虫生长初期虫声数基本不变，虫声数随虫数密度增加，27℃时虫声数是的32℃时虫声数的2倍。1991年Hagstrum等［26］成功研制了一种检测仓储小麦中成虫赤拟谷盗数量的自动监控系统，利用该系统检测到害虫的概率与其种群数量、所用麦克风数、各麦克风频率、害虫与麦克风之间距离及害虫生长阶段有关。1993年Hagstrum等［27］对小麦中5种甲虫的声信号比较研究后发现，不同种类的成虫声数目的概率分布明显不同，若对滤波器和计数器选取合适的阈值，声信号差异将最明显，此特征可用于区分虫的种类和估计虫密度。1996年Hagstrum等［28］分别用自动化害虫声检测方法和传统粮食采样法对美国堪萨斯州6个农场12个麦仓中的害虫数量进行了试验研究，建立的声学检测方法能够检测到粮仓中所有被发现的害虫，并有效地估计和测定粮仓中害虫“危害”级别。Shuman等［29－30］分别在1993年和1997年成功研制了第一代和第二代“声探测昆虫特征检测器”，并设计了一种用于降低噪音的密封层，该检测器通过利用换能器阵列检测单个幼虫吃食声的到达时间确定害虫的空间位置，对多个害虫的检测准确率较高，具有较强的抗噪能力，已被美国粮食检查部门用在对外出口的粮食快速评级中。1997年，Hickling等［31］通过在密闭条件下分别向1.5、5 和105 m33 类筒仓中的软麦、硬麦、糙米、高粱、大豆、玉米6个品种的粮食通入氮气、二氧化碳和空气，研究了不同条件下不同品种粮食的声传播特性，结果表明:声波主要是通过粮食颗粒间的空隙进行传播，粮食的粒径越大则声速越快、声传播越远，衰减系数与频率的平方根近似成正比。他们在开发新的自动评级粮食质量的声学技术系统、记录麦粒内部幼虫吃食的群算法及其性能的测试、实际粮仓害虫检测系统消除环境噪音的必要性的评价等方面也进行了合作研究。

为防止储粮虫害，2002～2005年陕西师范大学的科研团队［32－33］对储粮害虫的声特性进行了研究。通过采用驻波管法测量了小麦、玉米、高粱、大豆等粮食的吸声系数，得到了自然堆积状态下的粮食的基本吸声频谱，建立了粮堆声传播的模型，其将粮食看作既是圆柱形又是平行狭缝的准多空介质模型，结果表明:粮食是高吸收声波的媒质，储粮害虫发出的声信号由粮食内传至表面时的声衰减较大，粮食吸声性能介于多空吸声材料和共振吸声结构之间;声吸收系数随粮食厚度的增加而增大，随粮食颗粒形状或大小的不同而不同，但受粮食品种影响甚微。在对储糖害虫活动声特征的研究中，设计了一种用于储粮害虫声检测的隔声室，首次建立了储粮害虫活动的声发射理论模型和无规声源模型，并对储粮中害虫活动声进行了提取，首次建立了储粮害虫活动声的特征数据库，分析发现储粮害虫爬行声的功率谱具有离散性，主频较低，约在400 Hz以下，摩擦介质不同所产生的声的功率谱差别较大。

5 展望

小麦的储藏品质涉及到粮食的数量安全和质量安全，已经逐渐受到了国家有关部门的重视。因声学检测技术具有快速、无损、准确、在线、廉价等优点，引起了众多学者们的研究兴趣，目前在如何较好地表征小麦品质的声信号的特征参数的筛选、声信号与小麦品质之间的函数关系式的建立、声信号的采集过程中环境噪音影响的消除等方面的难题都亟待研究解决，相信在广大的科研工作者的共同努力下，声学检测技术在粮油等食品的贮藏和加工中将不断地发挥越来越大的作用。

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A Review of Acoustic Detection Technology for the Stored Wheat

Luo Songming1Zhou Zhanming2
(Food Science College，Sichuan Agricultural University1，Ya'an 625014)
(College of Food Science and Technology，Henan University of Technology2，Zhengzhou 450052)

Quality properties during wheat storage period is vital to food security and safety.In this paper a review of acoustic detection technology for the stored wheat is presented.The definition of acoustic characteristic of agricultural products is reviewed，and then the researches on the acoustic detection technology from several subsequent aspects are summarized:the quality of wheat flour was determined by acquiring and analysising the acoustic signal during dough processing;the quality of wheat was measured by acquiring and analysising the acoustic signal of kernels in a special device;the storage properties of wheat in the granary was predicted by analysising the grain density，or by acquiring and analysising the acoustic signal of pests.

wheat，acoustics，ultrasound，food security

TS210.7

A

1003－0174(2012)03－0125－04

2011－05－12

罗松明，男，1977年出生，讲师，粮油食品加工和资源利用

周展明，男，1942年出生，教授，粮食储藏