吳中華，康 寧，董曉林，趙麗娟，張忠杰

（1. 天津科技大學(xué)機械工程學(xué)院，天津 300222；2. 天津市綠色低碳過程裝備國際聯(lián)合研究中心，天津 300222；3. 國家糧食局科學(xué)研究院，北京 100037）

0 引 言

稻谷在收獲后經(jīng)歷干燥和碾米等加工工序[1-7]。在這些加工工序中，稻谷籽粒將受到各種應(yīng)力作用，如熱應(yīng)力、濕應(yīng)力和機械應(yīng)力，并由此產(chǎn)生應(yīng)力裂紋[8-11]。應(yīng)力裂紋可分為微裂紋、中裂紋（裂紋長度小于谷粒徑向長度，需無損檢測）和宏觀裂紋（連通性裂紋，肉眼可見）；微裂紋和中裂紋對稻米品質(zhì)影響不是很嚴(yán)重，但繼續(xù)擴展成宏觀裂紋時，將導(dǎo)致稻谷發(fā)生爆腰，從而降低整精米率和稻谷經(jīng)濟價值。在稻谷烘干國家標(biāo)準(zhǔn)中，爆腰增加率不超過3%[12-14]。

稻谷應(yīng)力裂紋產(chǎn)生及擴展規(guī)律是探索稻谷爆腰機理的基礎(chǔ)；然而應(yīng)力裂紋是當(dāng)前稻谷研究領(lǐng)域的一個難點。對稻谷應(yīng)力裂紋試驗研究常采用“燈光法”，即在強光背景下觀察稻谷籽粒內(nèi)部裂紋[15-17]。燈光法能觀察籽粒內(nèi)部宏觀裂紋，但對微、中裂紋無能為力。另外，燈光法是一個靜態(tài)觀察方法，無法追蹤籽粒內(nèi)部裂紋擴展。近年來，國內(nèi)外學(xué)者通過數(shù)學(xué)建模，來模擬稻谷干燥、儲藏過程中籽粒內(nèi)部應(yīng)力分布；當(dāng)局部應(yīng)力超過稻谷屈服極限時，判定將產(chǎn)生爆腰[18-22]。由于稻谷應(yīng)力導(dǎo)致應(yīng)力裂紋規(guī)律認(rèn)知不足，使得學(xué)者只能根據(jù)應(yīng)力模擬結(jié)果，定性判定爆腰產(chǎn)生與否；從而限制數(shù)值模擬在應(yīng)力裂紋研究的應(yīng)用。因此，尋求一種有效稻谷應(yīng)力裂紋研究手段顯得十分必要。

材料在應(yīng)力作用將產(chǎn)生變形，當(dāng)應(yīng)力足夠大時將產(chǎn)生局部斷裂即裂紋。伴隨著斷裂，變形能量將以彈性波形式向外釋放，這種現(xiàn)象稱為聲發(fā)射（acoustic emission,AE），又稱應(yīng)力波發(fā)射[23-26]。因此借助應(yīng)力裂紋和聲發(fā)射之間對應(yīng)關(guān)系，通過聲發(fā)射可以研究應(yīng)力裂紋，這種技術(shù)成為聲發(fā)射技術(shù)。聲發(fā)射技術(shù)是借助電子技術(shù)、計算機技術(shù)以及信號處理手段將聲發(fā)射現(xiàn)象轉(zhuǎn)化為人們可以利用和認(rèn)識的信號，據(jù)此來解釋結(jié)構(gòu)內(nèi)部的缺陷變化并判斷聲發(fā)射源的位置以及所處的狀態(tài)的專門技術(shù)；是一種評價材料或構(gòu)件損傷的動態(tài)無損檢測技術(shù)[27-29]。聲發(fā)射技術(shù)已成功應(yīng)用于橋梁、壓力容器、醫(yī)療器械等材料或構(gòu)件內(nèi)部裂紋等缺陷的監(jiān)測，并且近年來，其應(yīng)力領(lǐng)域正不斷拓展[30]。

本文提出將聲發(fā)射技術(shù)應(yīng)用于稻谷裂紋研究的設(shè)想。不同于橋梁，壓力容器等大型構(gòu)件，將聲發(fā)射技術(shù)應(yīng)用于糧食等小型生物顆粒研究，目前仍未發(fā)現(xiàn)。為了驗證上述設(shè)想可行性，本文建立了稻谷干燥和受載聲發(fā)射試驗平臺，分別進行稻谷熱風(fēng)干燥和機械壓縮試驗，模擬稻谷籽粒受到熱濕應(yīng)力和機械應(yīng)力作用的情況；測量并分析稻谷干燥和受載情況下聲發(fā)射信號，以驗證聲發(fā)射技術(shù)作為一種有效稻谷應(yīng)力裂紋研究手段的可行性。

1 試驗設(shè)備及方法

1.1 試驗材料

稻谷品種：天優(yōu)3301秈型感溫三系雜交水稻，產(chǎn)自海南省三亞地區(qū)，2016年7月收獲。收獲后的稻谷密閉包裝后在2～4 ℃的條件下進行空運和儲藏。稻谷初始濕基含水率為24%左右。

1.2 試驗儀器及設(shè)備

1.2.1 干燥設(shè)備

智能控溫馬弗爐，型號：FO310C，重慶雅馬拓科技有限公司。

1.2.2 聲發(fā)射試驗設(shè)備

Micro-II型數(shù)字聲發(fā)射系統(tǒng)（包括聲發(fā)射儀，聲發(fā)射傳感器，前置放大器，信號采集系統(tǒng)等）。

1.2.3 機械壓縮設(shè)備

MTS E-45型電子萬能試驗機，深圳市銀飛電子科技有限公司。

1.2.4 其它設(shè)備

LHS-800HC-II恒溫恒濕箱，上海一恒科學(xué)儀器有限公司；FA2204B型電子分析天平（檢出限0.000 1 g）上海精科天美科學(xué)儀器有限公司；acA2500-14gm型號相機，德國BASLER公司生產(chǎn)；ISH500型高清顯微鏡，上海普赫光電科技有限公司。

1.3 試驗方法

1.3.1 聲發(fā)射檢測去噪處理

為了確保傳感器采集的聲發(fā)射信號來自稻谷應(yīng)力裂紋，降低背景噪聲影響，試驗采取以下措施：1）聲發(fā)射試驗在一個安靜，單獨房間進行，試驗期間停止其他活動。2）合理設(shè)置SAEU2S系統(tǒng)參數(shù)過濾背景噪聲。通過多次前期試驗，聲發(fā)射儀的固定門檻值設(shè)為40 dB，前放大增益設(shè)置為40 dB，濾波設(shè)置為直通,發(fā)現(xiàn)這些設(shè)置和措施可有效排除外部機械噪聲，只接收稻谷內(nèi)部活動產(chǎn)生的聲發(fā)射信號。3）設(shè)置對照組。對照組收集背景噪聲信號，和試驗組聲發(fā)射信號對比分析。

1.3.2 不同含水率稻谷的調(diào)配

取若干組稻谷，每組稻谷500 g，平鋪于托盤上，將全部樣品置于恒溫高濕培養(yǎng)箱內(nèi)（溫度 18 ℃，濕度≥90%）放置24 h。先選取一組在恒溫22 ℃烘箱內(nèi)晾干，測量含水率隨晾干時間變化，并繪制曲線。根據(jù)曲線，設(shè)置其他組在烘箱內(nèi)不同晾干時間，即得不同含水率稻谷樣品。

1.3.3 稻谷籽粒干燥過程聲發(fā)射試驗

稻谷籽粒干燥過程聲發(fā)射試驗裝置如圖 1所示。試驗裝置主要包括Micro-II聲發(fā)射系統(tǒng)和智能控溫馬弗爐。馬弗爐內(nèi)加熱腔作為干燥室，2個聲發(fā)射傳感器探頭吊裝在馬弗爐內(nèi)腔中心位置。探頭和聲發(fā)射儀、計算機相連，用于采集和處理聲發(fā)射信號。

試驗前，稻谷籽粒經(jīng)手工剝殼后，挑選出顆粒飽滿，且在LED燈照下，利用放大鏡觀看無裂紋出現(xiàn)。將精選的谷粒通過專用膠（耦合劑）直接耦合在一個傳感器探頭上；另外一個探頭涂膠但無谷粒，作為對照組。開啟聲發(fā)射儀數(shù)據(jù)采集軟件系統(tǒng)SAEU2S，設(shè)置背景噪聲過濾閾值為40 dB（多次試驗得到的合理值）。開啟馬弗爐程序升溫系統(tǒng)，當(dāng)馬弗爐內(nèi)腔溫度達到干燥試驗設(shè)定值（如60 ℃）時，將2個探頭吊裝入馬弗爐內(nèi)腔。同時，系統(tǒng)SAEU2S開始采集和記錄探頭采集的稻谷聲發(fā)射信號。

圖1 聲發(fā)射干燥試驗裝置實物圖Fig.1 Air drying setup with acoustic emission instrument

1.3.4 稻谷籽粒受載過程聲發(fā)射試驗

稻谷籽粒受載過程聲發(fā)射試驗裝置如圖 2所示。試驗裝置主要包含電子萬能試驗機，聲發(fā)射儀。為了防止萬能機壓壞聲發(fā)射傳感器，將稻谷籽粒放置在20 mm×20 mm×20 mm正方體的鐵載體上面，鐵載體表面光滑平整，2個聲發(fā)射傳感器耦合在鐵載體側(cè)面。試驗時，將稻谷和鐵載體放置萬能機受載臺上，然后利用電子萬能試驗機進行加載試驗。試驗過程中采用軸向應(yīng)變控制加載方式，保持加載位移速度為0.1 mm/min，聲發(fā)射數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)同步進行。當(dāng)電子萬能機達到所設(shè)定壓力值（如15、30 N）時，萬能機自動停止運行，同時停止聲發(fā)射采集系統(tǒng)。

圖2 聲發(fā)射壓載裝置圖Fig.2 Rice mechanical compression setup with acoustic emission instrument figure

聲發(fā)射儀系統(tǒng)處理信號有2種模式：1）全波形模式。無論信號強弱，系統(tǒng)記錄每一個時刻聲發(fā)射傳感器采集的脈沖信號，并按照時序狀態(tài)進行顯示。2）能量參數(shù)模式。只有當(dāng)傳感器采集的信號大于閾值時，系統(tǒng)才記錄信號產(chǎn)生時刻和大小。相對全波形模式，能量參數(shù)模式所需計算機內(nèi)存較小，因而成本較低。

2 結(jié)果與討論

2.1 稻谷干燥應(yīng)力及聲發(fā)射

2.1.1 溫度對稻谷聲發(fā)射信號變化的研究

課題組于2016年對稻谷籽粒熱風(fēng)干燥過程進行了試驗和數(shù)值模擬研究，相關(guān)工作結(jié)果見文獻[13]。本文在上述工作基礎(chǔ)上，再進行稻谷籽粒熱風(fēng)干燥過程聲發(fā)射研究，并對稻谷籽粒干燥試驗、模擬和聲發(fā)射試驗結(jié)果進行綜合分析，以便了解干燥應(yīng)力與聲發(fā)射之間關(guān)聯(lián)。圖3顯示了熱風(fēng)干燥溫度為60 ℃，濕基含水率為22%的稻谷試驗和模擬干燥曲線?？梢钥闯觯竟茸蚜某跏己?2%干燥到11%所需時間為80 min。

圖3 模擬與試驗稻谷干燥曲線Fig.3 Drying curves of rice kernel obtained from experiment and simulation

圖4上部分為干燥溫度60 ℃，濕基含水率22%的稻谷籽粒在干燥5 368 s（90 min）得到聲發(fā)射信號全波形圖，下部分是未粘有稻谷作為對照組，證明傳感器采集到的聲發(fā)射信號全部來自稻谷干燥過程中應(yīng)力裂紋發(fā)生及擴展所釋放的能量。

圖4 60℃濕基含水率為22%，稻谷聲發(fā)射全波形圖(5 368.17 s)Fig.4 Waveform acoustic emission signal of rice kernel during hot air drying process (22%, 60℃, 5 368.17 s)

從圖中可以看出，在干燥初期0～450 s(0～7 min)內(nèi)聲發(fā)射信號比較豐富。結(jié)合下圖稻谷干燥模擬結(jié)果，判斷該時間段處于稻谷干燥過程的初始升溫階段，推測其聲發(fā)射信號可能是由稻谷籽粒內(nèi)部溫度梯度形成的熱應(yīng)力引起的。

圖 5為數(shù)值模擬得到的稻谷籽粒內(nèi)部不同位置點的溫度變化曲線，稻谷籽粒坐標(biāo)通過圖像處理構(gòu)建稻谷籽粒三維適體網(wǎng)格[13]。其中點（0,0,0）為稻谷中心，點（0.003,0）為谷粒長軸端點。圖 5可以看出，稻谷內(nèi)部溫度隨干燥時間增加而逐漸升高，在干燥4～6 min內(nèi)溫度上升較快，干燥 6～10 min內(nèi)溫度緩慢上升，在t為11 min后接近干燥介質(zhì)-熱風(fēng)溫度 60 ℃，之后保持在該值的附近。稻谷籽粒邊界點較中心點位置升溫快，因而會造成稻谷籽粒內(nèi)部存在溫度梯度。邊界點與中心點溫度梯度（DT）隨干燥時間先快速增加，在t為3～4 min達到最大值約 15 ℃,然后逐漸減小。結(jié)合 2圖，可以看出稻谷在干燥初期釋放少量聲發(fā)射信號的時間段與稻谷內(nèi)部溫度梯度變化的時間段基本吻合，因此可推斷在稻谷初始升溫階段，應(yīng)力裂紋主要是由熱應(yīng)力導(dǎo)致。

圖5 稻谷籽粒各內(nèi)部點溫度變化曲線Fig.5 Variations of local temperature inside rice kernel

2.1.2 濕度對稻谷聲發(fā)射信號變化的研究

在干燥時間450s～2 400 s（7～40 min），聲發(fā)射信號只是少量出現(xiàn)并且很弱， 2 400 s以后信號開始變得豐富，并且在2 400 s處出現(xiàn)一個明顯的信號密集區(qū)。干燥時間2 400 s對應(yīng)的稻谷濕基含水率為14%（干基含水率為17%）,濕基含水率大于14%時聲發(fā)射信號較少，該試驗觀察與文獻資料報道的結(jié)論-稻谷在濕基含水率大于14%時較少發(fā)生爆腰相吻合[13]。

圖6為稻谷籽粒內(nèi)部水分隨干燥時間變化圖。

圖6 稻谷籽粒各內(nèi)部點含水率變化曲線Fig.6 Variations of local moisture contents inside rice kernel during air drying process

由圖 6可知，與熱量傳遞過程相反，稻谷水分由內(nèi)部向表面?zhèn)鬟f。籽粒表面附近水分?jǐn)U散明顯，越接近中心部位，水分遷移擴散相對遲緩；因而在籽粒內(nèi)部形成水分梯度。稻谷內(nèi)部水分梯度隨干燥時間先增大后減小，在t=35～40 min時達到峰值。稻谷干燥過程中聲發(fā)射信號開始大量密集出現(xiàn)與內(nèi)部水分梯度在干燥40 min左右達到最大基本吻合，說明該階段應(yīng)力裂紋產(chǎn)生和擴展主要是水分梯度形成的濕應(yīng)力導(dǎo)致的，并且濕度梯度在濕基含水率14%時達到最大值。

2.1.3 降溫冷卻對稻谷聲發(fā)射信號變化的研究

圖 7上部分為稻谷籽粒在（常溫冷卻）30～80℃（3 700 s）條件下的聲發(fā)射全波形圖，下部分是未粘有稻谷籽粒的對照組。與圖4相比較，80 ℃干燥溫度下，濕應(yīng)力導(dǎo)致的聲發(fā)射密集區(qū)提前，出現(xiàn)在1 200 s左右。另外，80 ℃下密集區(qū)后的聲發(fā)射信號分布較稀疏，可能的原因是高溫 80 ℃下，稻谷籽粒干燥過程中始終呈橡膠態(tài)，抵抗破裂能力較強，此干燥階段不易產(chǎn)生應(yīng)力裂紋。有趣的是，3 700 s后的自然冷卻階段，聲發(fā)射信號密集而強烈，說明在冷卻階段，應(yīng)力裂紋發(fā)生強烈擴展。原因可能是稻谷在冷卻階段，隨著谷粒溫度降低，稻谷籽粒由橡膠態(tài)向玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變，籽粒變得剛脆，在干燥過程累積的應(yīng)力容易發(fā)生破裂（應(yīng)力裂紋）。觀察到的冷卻階段聲發(fā)射信號急劇增加現(xiàn)象，對應(yīng)于文獻資料報道的現(xiàn)象：高溫干燥下稻谷在冷卻階段爆腰率急劇增加[15]。圖8為30～80 ℃條件下稻谷籽粒采用acA2500-14gm型號工業(yè)相機拍攝的照片，可以看出，籽粒內(nèi)部有大量宏觀裂紋（爆腰）。

圖7 30～80 ℃濕基含水率為22%，稻谷全波形圖（4 291.52 s）Fig.7 Waveform acoustic emission signal of rice kernel duringhot air drying process（22%, 30～80 ℃, 4 291.52 s）

圖8 濕基含水率為22%, 30～80 ℃時稻谷圖Fig.8 Photo of rice at 22% moisture content and 30～80 ℃ drying temperature

2.2 稻谷機械應(yīng)力及聲發(fā)射

2.2.1 壓力對稻谷應(yīng)力與聲發(fā)射信號的影響

圖9a為萬能機15 N壓力下得到的濕基含水率為20%的稻谷籽粒應(yīng)力-聲發(fā)射計數(shù)關(guān)系圖?？梢钥闯觯S著時間的推移，應(yīng)力基本呈線性增大，最終增大至3 MPa左右。初始加載階段0～7 s時，稻谷無聲發(fā)射信號。7～11 s時，稻谷所受應(yīng)力較小，該階段有少許信號出現(xiàn)，主要變形可能為微觀裂紋。隨著應(yīng)力的增大，稻谷微裂紋開始逐漸擴展，聲發(fā)射信號顯著變強；在22 s左右，信號達到最大值，稻谷籽粒沒有屈服應(yīng)力出現(xiàn)，可以推測稻谷籽粒沒有發(fā)生爆腰。但采集的聲發(fā)射信號表明稻谷內(nèi)部產(chǎn)生了一些微裂紋，并發(fā)生擴展。

圖9 15、30 N壓力下稻谷應(yīng)力及聲發(fā)射計數(shù)Fig.9 Rice stress and acoustic emission count measured in case of 15 and 30 N compression load

在圖9b中，從加載初始階段就出現(xiàn)大量的聲發(fā)射信號，較15 N壓力整個受載過程信號更加豐富；表明籽粒受到載荷變大，內(nèi)部活動性增強，裂紋生成速度加快。在100 s之前稻谷應(yīng)力呈線性增加，相應(yīng)地，聲發(fā)射信號密集區(qū)間歇出現(xiàn)，表明裂紋在擴展。當(dāng)加載到100 s時，所受應(yīng)力超過籽粒載荷強度，出現(xiàn)應(yīng)力屈服，此時應(yīng)力值大約在8 MPa左右，推測此時稻谷發(fā)生了爆腰；同時，信號在100 s達到最大值，與應(yīng)力屈服出現(xiàn)的時間一致。稻谷發(fā)生爆腰以后，仍然采集到脈沖信號的出現(xiàn)，期間脈沖數(shù)量明顯減少，說明稻谷裂紋仍在擴展或新裂紋出現(xiàn)。

圖10為15 N、30 N壓力受載后籽粒照片，15 N壓力下未發(fā)現(xiàn)宏觀裂紋（爆腰），但可以觀察到微小裂紋，與聲發(fā)射信號結(jié)果相吻合；30 N壓力下的谷?？梢悦黠@觀察到宏觀裂紋（爆腰）。

圖10 15、30 N壓力下稻谷高清圖Fig.10 Photo of rice kernel compressed by 15 and 30 N

2.2.2 含水率對稻谷應(yīng)力與聲發(fā)射信號的影響

圖11為濕基含水率為14%的稻谷籽粒在30 N的壓力下，應(yīng)力-聲發(fā)射計數(shù)的關(guān)系圖。

圖11 30 N壓力下稻谷應(yīng)力及聲發(fā)射計數(shù)Fig.11 Rice stress and acoustic emission count measured in case of 30 N compression load

與圖9b相比，含水率較低的稻谷籽粒在整個受載期間聲發(fā)射信號比較稀少，且在受載初期22 s前幾乎沒有出現(xiàn)聲發(fā)射信號，同時在該作用力下未出現(xiàn)應(yīng)力屈服，通過高清相機拍攝籽粒也未發(fā)生爆腰，說明含水率較低的籽粒強度和硬度較大，抵抗破裂的能力也較強，因此所能承受的載荷就較大。

3 結(jié) 論

本文以天優(yōu) 3301，秈型感溫三系雜交稻谷為試驗物料，建立了稻谷籽粒干燥和受載過程聲發(fā)射試驗臺，分別進行籽粒熱風(fēng)干燥和機械壓縮試驗，繪制了稻谷籽粒在干燥、受載過程中的干燥曲線與應(yīng)力-應(yīng)變曲線，監(jiān)測并繪制稻谷籽粒聲發(fā)射全波形圖，分析了應(yīng)力裂紋與聲發(fā)射信號之間關(guān)聯(lián)，得到了以下結(jié)論：

1）在現(xiàn)有技術(shù)條件下，聲發(fā)射儀可監(jiān)測到籽粒干燥和受載過程的聲發(fā)射信號，溫度、水分、降溫冷卻、壓力對籽粒應(yīng)力裂紋的產(chǎn)生都有一定的影響。

2）熱風(fēng)干燥過程稻谷籽粒聲發(fā)射時序特征和干燥特性關(guān)聯(lián)密切，濕基含水率為22%的稻谷在60 ℃干燥條件中，7 min內(nèi)產(chǎn)生的聲發(fā)射信號可能是由于溫度梯度造成，40 min左右產(chǎn)生的密集信號主要由于籽粒濕度梯度的影響，與模擬結(jié)果40 min左右濕度梯度達到最大相吻合，聲發(fā)射印證了稻谷一些典型干燥現(xiàn)象，并微觀解析了典型現(xiàn)象的成因。

3）含水率越低，籽粒強度和硬度越大，抵抗破裂的能力越強，能承受的載荷就越大，受載過程釋放的信號也越少；濕基含水率為20%的籽粒在30 N壓力下得到聲發(fā)射信號的最大值與發(fā)生應(yīng)力屈服均出現(xiàn)在100 s，該含水率籽粒最大應(yīng)力強度8 MPa左右，而含水率為14%的籽粒在該強度下并未發(fā)生爆腰。

本文的試驗結(jié)果表明聲發(fā)射技術(shù)用于稻谷應(yīng)力裂紋研究是可行的，但其進一步應(yīng)用仍需對溫度變化對籽粒聲發(fā)射信號產(chǎn)生的影響等方面進行研究。

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