基于西瓜声学特性测定其成熟度

1 024 个相关系数。 从中选取相关系数前 20 位的声透过率值， 借助软件中多元线性回归函数建立多元线性回归方程。
研究比较不同敲击点和信号接收点组合所建模型的预测值和实测值相关系数（ R） ， 最高可达 0.884 2。 试验结果表明，
敲击点和接收点位于赤道部位能获得较好的测定模型。
关键词： 西瓜； 声学透过率； 多元线性回归； 糖度
敲击， 每点重复敲击 3 次。
2.3 声特征参数提取
声波在介质中传递过程复杂， 有阻尼振动情况
下， 振幅的衰减很快， 可用于表征声波在介质中传
播情况。 本研究敲击—接收 点 组 合 ij 间 的 透 过 率 计
算方法： ①采用傅里叶变换将时域信号转换成频域
信号， 得到信号幅频谱； ②对敲击点和接收点幅频
谱上每个频率 （ 下称频率点） 对 应 的 幅 值 采 用 公 式
（ 1） 计算透过率：
δij=Aj /Ai
（ 1）
式中： δij— ——敲击点为 i， 接收点 j 时敲击—接收点
组合 ij 间的声透过率；
Ai— ——接收点 i 幅值； Aj— ——敲击点 j 幅值。 对同一个敲击点的透过率值取 3 次试验的平
危艳君， *饶秀勤， 漆 兵， 林鹏鸟， 李江波
（ 浙江大学 生物系统工程与食品科学学院， 浙江 杭州 310058）
摘要： 为达无损检测西瓜糖度目的， 本研究在自主搭建的声学检测台上采集西瓜声学信号， 提取声振动从敲击点传
到 接 收 点 过 程 中 声 透 过 率 参 数 （ δ） 。 利 用 Matlab 软 件 中 的 线 性 回 归 函 数 ， 将 δ 与 西 瓜 糖 度 分 别 做 线 性 回 归 ， 得 到
Farabee 等人[5]在频谱图中提取含 50%能量波段的 中心频率参数以及 85～160 Hz 内的能量值， 研究 这 2 个声学参数与西瓜成熟度间关系， 线性回归分析表 明， 两者与西瓜含糖量相关系数分别是 0.67 和 0.56。
J Sugiyama[6]于 1998 年开发便携式仪器测定甜瓜 硬度； 2009 年肖珂等人[7]根据声谱图中峰值出现的频
0.711 7
16
0.753 5
46
0.758 8
21
0.741 6
51
0.737 8
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0.835 7
52
0.772 2
24
0.863 1
53
0.838 2
25
0.798 5
54
0.801 4
26
0.796 2
56
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0.704 3
61
0.791 9
32
0.775 0
62
0.788 3
2012 年第 1 期
危艳君， 等： 基于西瓜声学特性测定其成熟度
·9·
率范围， 可以判定西瓜的成熟度， 其中频率范围大 于 189 Hz 的是未成熟瓜， 而在 160～189 Hz 内是成 熟瓜， 在 133～160 Hz 的是过熟瓜。
B Diezma- Iglesias[8-9] 利 用 声 学 检 测 西 瓜 内 部 空 心， 并在后续研究中建立西瓜的有限元模型， 与理 论模型比较发现该法更适用于长型西瓜检测。 该项 技 术 在 国 内 发 展 仍 处 于 初 步 理 论 研 究 阶 段 [10- 11]。
1- 6： 分别表示贴在西瓜表面的 6 个加速度传感器 图 1 声学检测系统简图
硬件系统主要包括信号发生装置 （ 由包裹塑料 的金属球敲击西瓜表面， 样品台是高度可据西瓜大 小调节的软垫） 、 信号接收装置 （ 利用传感器贴在样 品表面， 感应振动信息） 、 信号处理装置 （ 电荷放大 器 （ YE5853B） ， 数据处理器， 内含集成电路板） 和 数据分析处理系统 （ 个人电脑， 数据采集控制系 统） 。 软件部分采用 C 语言编程设计数据采集窗口， 输入编号和敲击点， 与触发装置连接， 从而完成数 据采集。 采用 MATLAB 完成数据处理。 2 试验设计 2.1 西瓜样本
系方程， 后续研究对此方程做改进， 已成为声学参 数提取的重要等式； 有研究表明， 众多声学参数与 西瓜质量、 瓜瓤糖度、 弹性模量、 瓜瓤颜色及空心 的相关系数并不高， 且不同品种间相关性不一致， 有待进一步研究[3]。 西瓜越成熟， 质地越软， 因此可 由西瓜的声振动频率计算瓜瓤弹性模量， 与西瓜的 成熟度相关性良好。 同时由声谱图的峰值可判定西 瓜空心存在[4]。
本研究数据处理过程中， 选取相关系数前 5， 10， 20， 30， 40 位的声透过率， 然后分别做多元线性回 归分析。 比较结果发现： 相关系数前 5 位和 10 位预 测的结果与真实值间 相 关 性 较 低 ； 前 30 位 和 40 位
· 10 ·
农产品加工·学刊
2012 年第 1 期
基本都在 0.9 以上， 即出现过拟合现象。 所以最后选 出相关系数排列 前 20 位 的 频 率 值 ， 将 对 应 的 20 个 声透过率值与糖度做多元线性回归， 比较得到的多 元线性回归方程系数， 可以较好反映号采集完毕， 将西瓜切开测定总糖度值。
去除瓜皮， 取完整西瓜瓤榨汁， 过滤取滤液， 采用
日本 PR101 型手持式近红外糖度仪测定糖度值， 重
复 3 次取平均值。
3 数据分析
首 先 ， 利 用 Matlab 中 相 关 性 函 数 分 析 1 024 个 衰减值与糖度间的相关性， 比较 1 024 个相关系数。 然后按照需要， 比如选取相关系数前 3 位的衰减值， 借助软件中多元线性回归函数建立 3 个衰减值与糖 度间的三元线性回归方程， 将预测值与实测糖度值 做相关性分析， 得出回归系数 R。
如何找到更好的声学参数以及适用于不同品种 的检测模型一直是该领域研究的重点， 为此本研究 利用声信号在西瓜中传递容易衰减的特性， 提取声 衰减特征参数值 （ δ） ， 与 糖 度 做 相 关 性 分 析 ， 实 现 西瓜糖度检测， 判断西瓜成熟度。 1 声学检测西瓜系统
声学检测西瓜成熟度的系统见图 1。
0 引言
西瓜作为世界上的重要水果之一， 为人们所喜 爱， 带来可观经济效益。 传统判定西瓜成熟度的方 法是拍击西瓜表面听声音或者根据西瓜的瓜瓤颜色、 生长周期来判定， 但速度慢且需经验。 西瓜瓜瓤硬 度、 颜色、 糖度是判定西瓜成熟度的主要理化指标。
为达到无损检测西瓜内部品质目的， 国内外众 多学者开展利用西瓜的声学特性实现西瓜内部品质 的 研 究 ， 常 用 的 声 学 参 数 是 声 振 荡 频 率 。 1975 年 ， Clark [1]研 究 表 明 声 波 在 西 瓜 内 部 的 传 递 和 反 射 时 间 随着瓜瓤成熟、 变红而延长， 从而实现西瓜成熟度 的检测； 1968 年 Abbot 等人[2]研究利用苹果声学特性 检测苹果硬度， 建立了弹性模量与苹果固有基频关
34
0.801 8
63
0.818 4
35
0.863 9
64
0.808 8
36
0.828 9
65
0.799 8
由表 1 可见， 敲击 1 号点时， 赤道部位 （ 3， 4， 5， 6） 接收信号， 获 得 的 声 透 过 率 建 立 模 型 ， 预 测 值与真实值之间相关系数比 2 号点大； 敲击 2 号点 时， 可以发现， 赤道部位接收所获模型相关性比 1 号 点大； 敲击赤道部位， 1 号和 2 号接收点相关系数相 对赤道部位接收信号要低。 由此可见， 信号接收点 最好选择在赤道部位。
不同信号敲击接收组合 20 个声透过率值建立的 糖度检测模型的相关系数见表 1。
表 1 不同信号敲击接收组合 20 个声透过率值建立的糖度检 测模型的相关系数
ij
R
ij
R
12
0.682 3
41
0.702 4
13
0.684 8
42
0.729 0
14
0.717 7
43
0.884 2
15
0.843 4
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第 1 期 （ 总第 268 期） 2012 年 1 月
农产品加工·学刊 Academic Periodical of Farm Products Processing
文章编号： 1671- 9646 （ 2012） 01- 0008- 03
No.1 Jan.

基于西瓜声学特性测定其成熟度
西瓜标号示意图见图 2。
图 2 西瓜标号示意图
2.2 声信号采集
将 6 个传感器按标号对应贴在西瓜上， 记录试
验日期、 样品编号、 敲击点、 敲击次数、 压电式加
速度传感器编号等信息。 然后， 将小球从一定位置
（ 用固定挡板标志） 释放， 小球击打西瓜样本后， 产
生声波信号， 由计算机记录在硬盘上。 按编号顺序
样本选自产于 杭 州 萧 山 地 区 的 西 瓜 ， 共 47 个 。 选 取 成 熟 度 分 别 为 60%， 80%和 100%的 西 瓜 样 本 。 每个西瓜编号后， 称质量， 测定相关几何参数。 西 瓜梗部和蒂部 2 个点分别标号 1， 2， 赤道上等距标 定 4 个点 3， 4， 5， 6， 其 中 3 号 点 为 靠 地 点 ， 5 号 点向阳。
收稿日期： 2011- 08- 25 基金项目： 国家高新技术研究发展计划项目 （ 2010AA101401） 。 作者简介： 危艳君 （ 1986— ） ， 女， 江西人， 硕士研究生， 研究方向： 农产品品质无损检测。 E- mail： wyj3893302@。
* 为通讯作者： 饶秀勤 （ 1968— ） ， 男， 浙江人， 博士， 副教授， 研究方向： 农产品无损检测。 E- mail： xqrao@。
中图分类号： TS255.1