比翱观察丨材料声学仿真技术帮助食品制造商生产完美的脆米饼和麦片

美国一些最受欢迎的谷类食品，如玉米粉扑、脆米饼和水果麦片，都有一个独特的特征 — — 当牛奶倒在上面时会发出明显的爆裂声。Rice Krispies谷物营养麦片已经将其作为自己的签名。自1932年以来，Rice Krispies一直使用他们著名的“Snap，Crackle，Pop - 啪，啪，啪”口号向人们推销这种谷物食品。 
让麦片粥爆开是从烹饪过程开始的。当米糊片膨胀时，加热时会产生气泡和空气通道。当添加牛奶时，谷物会吸收液体，这种相互作用产生的压力打破了每一片的壁— —创造了著名的啪啪声。
除了享受发出有趣声音的食物的新奇之外，我们还想知道是否可以应用软件来模拟和监控这些谷物看似随机的气泡和空气通道。使用Matelys实验室的AlphaCell材料声学仿真软件，我们的团队不仅试图发现该技术是否可以模拟谷物本身，而且还试图发现该应用程序是否也可以被制造和设计团队用于验证其他食品和包装的质量和/或耐用性。用振动声学研究食品老化与质量在开始谷物实验之前，Matelys的工程师想确认是否可以记录某些食物的声学响应，以及这些记录是否能产生有意义的结果。以面包为例，他们使用AlphaCell软件包进行了一项研究，以查看两种不同类型面包在8天内的吸声系数。由于某些食品具有渗透性、柔软性和均质性，因此将这些食品视为多孔材料是安全的。吸声系数描述了在给定频率下给定材料吸收了多少声能。给定材料的吸声系数越高，它周围的环境就越安静。吸声系数为1表示材料在该频率下吸收100%的声能。结果表明面包已经老化，因为它在不同频率下的吸声系数在几天的过程中发生了变化。换句话说，即使我们不知道一块面包的生产期有多久了，我们也可以通过查看面包的声音特征来找出答案。白面包（左）和杂粮面包（右）在不同老化阶段的吸声系数与频率的关系。 当我们通常想到吸声系数时，我们会想到剧院或录音室墙壁上的材料；改善或放大空间中音乐或声音的材料。但是每种材料，包括面包，都至少可以吸收一些声能。我们可以看到曲线中与频率相关的峰值以及曲线的整体幅度随着面包老化而增加。不过，这种增长不会永远持续下去。它可以逐渐减小，如两条第8天曲线所示。这是因为随着时间的推移，面包的微观结构会发生变化。随着面包的老化，它会失去柔软度和水分。面包物理特性的这些变化也会导致其声学特性的变化。这些变化可以被测量，甚至可以逆向工程。换句话说，如果我们知道面包的吸声性，我们就可以估计它的生产期限。现在知道某些食物的孔隙率允许进行声学研究，我们又回到了我们的脆米饼。测量谷物，就像面包一样，看看我们是否可以用数字表示它的形状和成分，作为模拟的多孔材料。对多孔复合谷物建模必须考虑其排列的形状和其内含物的孔隙率。测量（蓝色）和模拟（橙色）:脆米饼的吸声系数与频率的关系。在这里，脆米饼在AlphaCell中几乎完美地模拟为多孔复合材料。我们通过估计谷物的三个内在特性来做到这一点：它的孔隙率（谷物内部的自由空间量）、它的流阻率（谷物抵抗强迫通过它的空气的能力）和它的曲折度（“扭曲”的程度）谷物中的多孔夹杂物）。我们确定并模拟了脆米饼的形态（颗粒的形状、大小和排列）和内部孔隙率（单个颗粒内部的小气泡）的影响。我们可以通过将谷物模拟为不透水（即，如果我们去除气泡，而是将它们制成米糊的固体颗粒）来观察气泡如何影响吸声系数。这大大降低了吸声系数。如果没有内腔，谷物就无法吸收声能。也就是说，我们不会在早餐时间听到那个著名的噼啪声！食品制造商应考虑使用模拟来尽早验证其产品的质量，然后再在流程后期重复设计。例如，Kellogg's可以对脆米饼进行声学测量（以快速、非破坏性的方式），并且可以将这些结果与模拟值进行比较。两个数据之间的任何差异都会让Kellogg's知道制造过程中的质量发生了变化。食品包装也可以从模拟驱动设计中受益，因为模拟可以降低成本和质量控制劳动力。我们举起了一个装有铝箔盖的酸奶杯，不同程度地展示了制造商如何使用振动声学来检测包装是否有缺陷或者是否被篡改。测试用的酸奶杯 尽管非常规，但吸声系数结果表明，设计人员确实可以使用此类研究的数据进行质量控制。我们的研究表明，酸奶杯的吸声系数会随着盖子从杯子上拉得更远而发生变化。值得注意的是，我们观察到盖子的关闭与一个特殊频率的尖锐和陡峭的峰值有关。它可以快速有效地识别生产线末端的任何密封不完善的产品。
酸奶杯在盖子不同位置的吸声系数与频率的关系。 AlphaCell的仿真技术可应用于一系列行业；它不仅适用于工业、汽车和消费品行业，也适用于食品行业（和其他行业）。振动声学仿真可以加快上市时间，并且比针对多个单独的生产变量进行物理测试更加经济实惠。制造商将大量时间和金钱投入到物理原型设计中，以验证产品性能。他们必须确保他们的商品符合客户和行业标准。借助仿真技术，制造商可以在设计过程中更早地检测零件和产品缺陷，从而节省时间和金钱。 AlphaCell的直观用户界面可以轻松完成快速模型设置、快速计算以及根据测量数据验证噪声、振动和声振粗糙度(NVH)评估。用户可以在具有内置独特功能和完整脚本功能的单个平台内了解声学性能、选择要执行的模拟并优化模型。 
原文来源于Altair公司网站，可通过阅读原文浏览。多孔材料与人工结构物理特性表征与验证技术领先者

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