VP1-3.1-ŠMM-06-V-01-003

1

MOKSLO, INOVACIJŲ IR TECHNOLOGIJŲ AGENTŪRA

VILNIAUS UNIVERSITETAS

ATASKAITA

EUREKA ITEA2 PROJEKTAS 09041

AKUSTINIŲ BANGŲ PRITAIKYMAS PORINGŲ MAISTO IR NEMAISTO SISTEMŲ

KOKYBĖS IR SAUGOS ANALIZEI (ACOUSTICS)

ACOUSTIC WAVE APPLICATION FOR THE ANALYSIS OF THE QUALITY AND

SAFETY OF POROUS FOOD AND NON-FOOD MATRICES (ACOUSTICS)

„Programos „Eureka“ mokslinių tyrimų ir technologinės plėtros projektų įgyvendinimas“ – EUREKA

finansavimo ir administravimo sutartis Nr. VP1-3.1-ŠMM-06-V-01-003, POVEIKLĖ 1.2.1.5

2011 m. rugpjūčio 3 d. „EUREKA“ 2011 M.

Ataskaitinis laikotarpis: 2011 m. rugpjūčio 3 d. – 2013 m. gruodžio 31 d.

Projekto koordinatorius

Kauno technologijos universitetas

Projekto vadovas

Habil. dr. Gražina Juodeikienė

Projekto atsakingasis vykdytojas

Laboratorijos vedėjas Vaidotas Rokas Adomaitis

VILNIUS, 2014

VP1-3.1-ŠMM-06-V-01-003

2

PROJEKTO PARTNERIAI

Projekto koordinatorius:

Kauno technologijos universitetas (KTU), Lietuva

Projekto vadovas Lietuvoje: profesorė, habil. dr. Gražina Juodeikienė

Projekto partneriai:

Vilniaus universitetas (VU), Lietuva

Laboratorijos vedėjas Vaidotas Rokas Adomaitis

UAB „Ustukių malūnas, Lietuva

Direktorius Giedrius uždavinys

Valstybinis veterinarinės medicinos produktų ir pašarų priedų mokslinių tyrimų ir kontrolės institutas

(DNDKI), Ukraina

Dr. Oksana Brezvyn

Lvovo nacionalinis Ivan Franko universitetas (LNU), Ukraina

Dr. Oleksandr Bilyy

VP1-3.1-ŠMM-06-V-01-003

3

PROJEKTO VYKDYTOJO - VU DARBO GRUPĖ

Atsakingasis vykdytojas:

Laboratorijos vedėjas Vaidotas Rokas Adomaitis

Darbo grupė:

Vyresnysis mokslo darbuotojas doc., dr. Vytautas Kunigėlis, mokslo darbuotojas doc., dr. Algimantas

Kežionis, programuotojas Gytis Bašinskas, programuotojas Martynas Adomaitis, inžinierius dokt. Saulius

Kazlauskas, projekto finansininkė Vida Lapinskaitė.

VP1-3.1-ŠMM-06-V-01-003

4

PROJEKTO SANTRAUKA

Projektas skirtas aktualiai Europos Sąjungos probleminei temai- ultragarsinės spektroskopijos

panaudojimo galimybių tyrimui maisto kokybės ir saugos kontrolei. Orientuotasi į poringus ar birius

produktus bei kai kurias pluoštines ne maisto medžiagas. Vykdant projektą, buvo sukurta akustinė impulsinė

poringų objektų tyrimo metodika. Buvo naudojamas praėjusių ir atsispindėjusių nuo objekto akustinių bangų,

sukeltų trumpais plazmos impulsais, spektrinės analizės metodas. Tam tikslui buvo sukonstruotas

laboratorinis dviejų akustinių kanalų matavimų laboratorinis stendas. Stende buvo naudojami didelio

dinaminio diapazono ir plačios dažnių juostos (iki 100 kHz) matuojamieji kondensatoriniai mikrofonai bei

juos atitinkanti stiprinimo ir maitinimo aparatūra. Gaunamieji signalai registruojami 14 bitų skyra su

diskretizavimo dažniu iki 10MHz. Bandinių klasifikavimui pagal kokybinius kriterijus buvo sukurti

algoritmai panaudojantys objektų akustinių spektrų ypatybes. Kartu buvo sukurta sistema leidžianti kaupti ir

analizuoti matavimų duomenis. Metodika buvo išbandyta tiriant konditerijos pramonės naudojamas šokolado

granules, plaktines konditerijos mases, įvairios kondicijos grūdus ir pluoštines osmotines plėveles bei filtrus.

Matavimų tikslumo kontrolei buvo panaudotas etalono saviidentifikacijos principas. Tyrimo objektai buvo

gaunami iš projekto partnerių, su kuriais rezultatai buvo kartu analizuojami. Projekto rezultatai turėtų būti

reikšmingi pramonėje maisto saugos ir kokybės užtikrinimui bei stebėjimui, o taip pat su tuo susijusių

ekonominių nuostolių mažinimui.

VP1-3.1-ŠMM-06-V-01-003

5

Turinys

PROJEKTO PARTNERIAI ............................................................................................................................... 2

PROJEKTO VYKDYTOJO - VU DARBO GRUPĖ ......................................................................................... 3

PROJEKTO SANTRAUKA .............................................................................................................................. 4

ĮVADAS ............................................................................................................................................................. 6

1. TYRIMŲ OBJEKTAI .................................................................................................................................... 7

2. TYRIMŲ METODIKA .................................................................................................................................. 8

2.1. IMPULSINĖS AKUSTINĖS SPEKTROSKOPIJOS STENDO ACOUSTICS KONSTRUKCIJA IR

STRUKTŪRA ................................................................................................................................................ 8

3 TYRIMŲ REZULTATAI ............................................................................................................................. 18

3.1 DUOMENŲ GAVIMO BEI APDOROJIMO ALGORITMAI IR JŲ PRITAIKYMAS

TIRIAMIESIEMS PAVYZDŽIAMS .......................................................................................................... 18

4. PROJEKTO REZULTATŲ SKLAIDOS BŪDAI IR PRIEMONĖS .......................................................... 27

5. PROJEKTO IŠVADOS, REKOMENDACIJOS IR SIŪLYMAI ................................................................ 28

6. LITERATŪROS ŠALTINIAI. PUBLIKACIJOS ........................................................................................ 29

6.1 NAUDOTA LITERATŪRA .................................................................................................................. 29

6.2. PARENGTŲ ARBA NUMATOMŲ PARENGTI PUBLIKACIJŲ SĄRAŠAS .................................. 29

7. MTEP REZULTATAI ................................................................................................................................. 30

8. PRIEDAI ...................................................................................................................................................... 31

VP1-3.1-ŠMM-06-V-01-003

6

ĮVADAS

Projekto ACOUSTICS bendrasis tikslas – pritaikyti akustines metodikas operatyviai ir bekontaktei

(neardančiai) poringų maistinių ir nemaistinių sistemų kokybės bei saugos analizei.

Bendrieji (visų partnerių) projekto ACOUSTICS uždaviniai:

1. Sukurti akustinės technikos pritaikymo maisto kokybės kontrolei koncepciją, paremtą naujų algoritmų

panaudojimu akustinio signalo modeliavimui ir duomenų apdorojimui:

- Sukurti principinę akustinio prietaiso schemą, derinant įvairius techninius sprendimus;

- Atlikti akustinės technikos matavimų tikslumo įvertinimo ir jos didinimo galimybių studiją,

modeliuojant akustinius daviklius bei jų dažnines charakteristikas;

- Suformuoti reikalavimus duomenų apdorojimo sistemai.

2. Sukurti akustinės technikos ir jos duomenų apdorojimo sistemų prototipus:

- Sukurti akustinės technikos prototipus: suprojektuoti ir parinkti elektroakustinius daviklius,

elektroninius matavimo elementus ir mechaninius mazgus;

- Išbandyti akustinės technikos prototipus poringų maistinių sistemų kokybės kontrolei laboratorinėse

sąlygose ir tolydinėje gamyboje.

3. Sukurti kompiuterines programas matavimo duomenų analizei ir maistinių sistemų kokybės įvertinimui:

- Sukurti algoritmus matavimo duomenų surinkimui ir kaupimui duomenų bazėje;

- Sukurti algoritmus duomenų analizei ir klasifikavimui bei skirstymui pagal analizuojamų poringų

maistinių sistemų kokybės kriterijus ir skirtingus jų lygius;

- Sukurti algoritmus matavimų tikslumo kontrolei ir naujų matavimo duomenų palyginimui su

sukauptais duomenų bazėje;

- Integruoti kompiuterines programas į sukurtus akustinius prietaisus.

4. Sudaryti poringų maistinių sistemų modelius akustinės technikos išbandymui:

- Sudaryti skirtingos kokybės įvairių poringų maistinių sistemų, pvz., grūdinių žaliavų kolekcijas,

ištirti jas pamatiniais metodais ir kaupti duomenis matematiniam tyrimų modeliavimui;

- Paruošti technines instrukcijas darbui su prietaisu ir kompiuterine programa ir jas išbandyti

laboratorinėje ir gamybinėje praktikoje.

- Projekto rezultatų viešinimas ir sklaida: publikacijų rengimas, mokslinių seminarų organizavimas bei

projekto rezultatų sklaida tarptautinėse konferencijose, tinklalapis.

Projekto partnerio- Vilniaus universiteto vykdytojų tikslai projekte – Sukurti algoritmus ir kompiuterines

programas matavimo duomenų kaupimui, analizei ir produktų kokybės įvertinimui. Atlikti pradinius

eksperimentus.

Projekto uždaviniai:

1. Sukurti algoritmus matavimo duomenų surinkimui ir kaupimui duomenų bazėje, duomenų analizei ir

klasifikavimui bei skirstymui pagal poringų sistemų kokybės kriterijus ir skirtingus jų lygius;

2. Panaudoti kompiuterines programas mūsų sukurtoje akustinių matavimų sistemoje.

VP1-3.1-ŠMM-06-V-01-003

7

1. TYRIMŲ OBJEKTAI

Tyrimo objektai buvo gaunami iš projekto partnerių (KTU), su kuriais rezultatai buvo kartu

analizuojami. Taip pat buvo tirtos konditerijos pramonės naudojamas šokolado granulės, plaktinės

konditerijos masės ir pluoštinės osmotinės plėvelės bei filtrai. Jie taip pat buvo pateikti KTU mokslininkų.

Tiriant akustinio metodo panaudojimo galimybes mikotoksinų aptikimui, surinktos sveikų ir

mikroskopiniais grybais dirbtinai ar natūraliai užkrėstų grūdų (kviečių) kolekcijos tiek iš vietinių grūdų

augintojų (projekto partneris UAB „Ustukių malūnas“), perdirbėjų (AB „Kauno grūdai“) ir mokslinių

institucijų (LAMMC Žemdirbystės institutas), tiek iš tarptautinių organizacijų (sėklų bendrovė Florimond

Desprez, Prancūzija; projekto partneris DNDKI, Ukraina; USDA, JAV). Mikotoksinų kiekis grūdų

mėginiuose nustatytas tradiciniu ELISA metodu. Koreliacinio ryšio tarp mikotoksinų kiekio grūduose ir

akustinio signalo parametrų (amplitudės) nutatymui ir metodo validacijai, papildomai sudarytos ir

analizuotos grūdų modelinės sistemos.

Kviečių grūdų modelinės sistemos sudarytos iš sveikų ir Fusarium mikroskopiniais grybais užkrėstų

grūdų (FK) su dideliu deoksinivalenolio (DON) kiekiu (4000 µg/kg, Florimond Desprez, Prancūzija): į

kiekvieną sveikų grūdų mėginį pridėta, atitinkamai, 5 %, 10 %, .... 90 % FK (mėginių masė 200 g). Užkrėsti

kviečių grūdai (FK) ir jų mišiniai K+5 % FK, K+10 % FK.... K+90 % FK eksperimento metu laikyti

vakuuminėje pakuotėje (-40oC) temperatūroje.

Tokie suklasifikuoti grūdai ir buvo gauti iš KTU.

VP1-3.1-ŠMM-06-V-01-003

8

2. TYRIMŲ METODIKA

2.1. IMPULSINĖS AKUSTINĖS SPEKTROSKOPIJOS STENDO ACOUSTICS

KONSTRUKCIJA IR STRUKTŪRA

Akustinių bangų sklidimo ypatybės (greitis, slopinimas, galimybė įvesti tiesiog iš oro) yra naudingos

poringų maisto medžiagų neardančiam bekontakčiam tyrimui [1-3]. Kai yra parenkamas optimalus

ultragarsinių bangų dažnis, gali būti tiriamos arba ištisos struktūros arba atskiros jų dalys. Geriausiai tinkami

metodai naudoti automatizuotose gamybos sistemose yra ultragarso greičio per medžiagas matavimas arba

ultragarso slopimo bei atspindžio medžiagose matavimas [1-5]. Šie metodai yra labai greiti, lyginant su

chemine analize, nereikalauja specialaus gaminio paruošimo ir jo nesuardo. Jie gali būti naudojami

kontroliuojant gamybos parametrus nepertraukiamame gamybos procese.

Akustinei bangai sklindant ar atsispindint nuo medžiagos, bet kurie sklidimo kelio charakteristikos

netolygumai turi įtakos greičiui ir/ar bangos amplitudei [4,5], kurie gali būti išmatuojami. Sparčioji Furjė

transformacija (FFT) paverčia laiko srities duomenis į dažnio sritį, ir rezultatai tampa palyginami su

spektriniais matavimais. Kai kuriais atvejais dažnių sritis yra patogesnė analizei.

Šiame darbe tiriamos impulsinės akustinės spektroskopijos panaudojimo galimybės greito ir pigaus

metodo poringų ir pluoštinių maisto ir ne maisto struktūrų tyrimo sukūrimui. Kadangi akustinių bangų

atspindžio ir praėjimo spektrai gaunami realiems poringiems objektams yra labai sudėtingi, tai jų įvertinimui

mes pasirinkome palyginimo su etalonu metodiką. Šis metodas ypač gerai tinka, kai reikia registruoti

nedidelius objekto savybių nukrypimus nuo normos. Tuo tikslu sukonstravome dviejų akustinių kanalų

balansinę matavimo sistemą.

Žemiau parodyta dviejų kanalų impulsinės akustinės spektroskopijos matuojamojo stendo schema

Stendą sudaro du matavimo kanalai naudojantys tą patį akustinį šaltinį (2.1 pav). Poringoms medžiagoms

tirti buvo naudojami trumpi slėgio impulsai, sukuriami valdomo plazmos lanko išlydžio, kuris inicijuojamas

atskira aukštos įtampos, bet mažos galios ir matmenų valdoma uždegimo kibirkštimi. Esant dulkių ar

aerozolių atmosferai, apsaugoti nuo sprogimo pavojaus galima uždengiant spinduolį plona polimero plėvele.

Esant poreikiui išryškinti kai kuriuos šaltinio spektro dažnių ruožus, plazminis spinduolis gali būti pakeistas

plačiajuoste spinduliavimo galvute (neodimio aukštadažniu garsiakalbiu „Fountek“ Ribbon Tweeter

NeoCD3.0 ir skaitmeniniu programuojamuoju funkciniu generatoriumi integruotu į 4 kanalų PicScope

5442B arba TiePie S3, kuriuos mes taip pat naudojome stende).

Įstumiamose kiuvetėse gali būti talpinami arba nepriklausomi tiriamieji objektai arba etaloninis ir

tiriamasis. Nuo to priklauso duomenų apdorojimo būdai. Mikrofonų padėtis keičiama kalibruojant. Gali būti

naudojami nuo 1 iki 4 mikrofonų vienu metu. Kiuvetę dengiančios diafragmos ir bangolaidį dengiančio

dangtelio kiaurymės buvo sutapadintos. Su šiomis kiaurymėmis buvo sutapadintas ir vidines bangolaidžio

sieneles dengiantis veltinis. Kiuvetės bėgeliai turi poliuretano amortizatorius, kurie suderinti taip, kad

dangtelis standžiai susiglaustu su bangolaidžio dangčiu nepaliekant tuščio tarpo.

VP1-3.1-ŠMM-06-V-01-003

9

2.1 pav. Matavimo stendo konstrukcijos schema.

Tyrimai buvo atliekami trumpais slėgio impulsais sukeltais plazminio šaltinio ir todėl priimti signalai

gerai išsiskyrė laike. Tokie akustiniai impulsai turi platų dažnių spektrą (0-200kHz), todėl pasižymi gera

skiriamąja geba ir dažnių srityje. Plazmos iškrova sukuria trumpą slėgio padidėjimą mažame tarpelyje tarp

elektrodų ir dėl to yra išspinduliuojamas trumpas akustinis impulsas beveik iš taškinio šaltinio (~300μm).

Naudojami vanadžio elektrodai. Impulso energija yra apie 1J, frontų trukmės apie 1 μs, taigi momentinė

galia yra apie 60dB virš aplinkos triukšmo, normalioje laboratorinėje aplinkoje. Šie parametrai gali būti

keičiami keičiant mažaindukcinių kondensatorių baterijos talpą. Mūsų naudojami ¼“ matuojamieji

mikrofonai yra pritaikyti padidinto slėgio smūginių bangų matavimui (iki +169 dB).

Nustatėme, kad šaltinio signalo formavimui didelę įtaką daro energiją privedančių šinų induktyvumas,

kuris buvo minimizuotas konstrukcinėmis priemonėmis. Kibirkšties nestabilumas pasireiškė tik didesnių nei

tiriamieji dažnių srityje. Esant padidintam aplinkos (pramoniniam) triukšmui, rekomenduojama papildoma

akustinė stendo izoliacija (priklauso nuo konkrečių sąlygų).

VP1-3.1-ŠMM-06-V-01-003

10

2.2 pav. Plazminio spinduolio elektrodų išdėstymas.

Mūsų atveju tiesioginiam ir atspindėtam signalui registruoti viename kanale naudojome tą patį

mikrofoną (M5 ir M6 2.1 pav.). Nuo išorės triukšmų matavimo kameros izoliuotos pakietinto plieno

korpusu, vidiniais putų plastiko ir veltinio sluoksniais. Gauta akustinė izoliacija tarp kanalo vidaus ir išorės

buvo apie 60dB. Turint omenyje, kad pats plazminio šaltinio signalas pasižymi didele galia,– apie +60dB

virš aplinkos triukšmo, bendras dinaminis akustinis darbo diapazonas (neskaitant elektrinių triukšmų) viršijo

100dB.

a)

VP1-3.1-ŠMM-06-V-01-003

11

b)

2.3 pav. Matavimo stendo Acoustics elementai. Bangolaidis (a), birių bandinių kiuvetės, diafragmos (b).

a)

VP1-3.1-ŠMM-06-V-01-003

12

b)

2.4 pav. Matavimo stendo Acoustics elementai. Elektronikos dalis (a), korpusas, jungtys (b).

VP1-3.1-ŠMM-06-V-01-003

13

Spektroskopinio stendo loginė- struktūrinė schema.

2.5 pav. Svarbiausi matavimo stendo konstrukcijos ir įrangos elementai.

1. Sinchronizavimo ir valdymo blokas leidžia naudoti loginius TTL impulsus plazmos kibirkšties

formavimo proceso paleidimui iš išorinio įrenginio, pvz. iš kompiteriu valdomo PicoScope arba TiePie S3

generatoriaus arba mechaninio matavimo paleidimo mygtuko. Impulso vėlavimo laikas yra apie 0.1

mikrosekundės.

2. Krūvio stabilizavimo blokas naudoja specialius mažo induktyvumo ir didelės iškrovos srovės

(1000A) kondensatorius, bei įtampos palaikymo schemą. Krūvis pastoviai papildomas impulsiniu

generatoriumi.

3. Uždegimo blokas pradeda veikti gavęs sinchronizuojantį impulsą. Formuojamas aukštos įtampos

maždaug 0,1 μs trukmės impulsiukas, sukeliantis mikrokibirkštį ore. Kondensatorių baterijos įkrovimas tam

momentui yra sustabdomas, kad būtų išvengiama radio trikdžių. Esant jonizuotam orui kondensatoriai

staigiai išsielektrina didele srove per sudarytą plazmą.

4. Akustinio slėgio impulsai nukreipiami padidintos masės akustiniais vamzdžiais (sienelės iš plastinės

masės su betono intarpais), kurių vidus išklotas storu veltinio sluoksniu, siekiant maksimaliai sumažinti

atspindžius ir difrakcinę sklaidą.

5. Akustinio slėgio impulsai formuojami plazmos iškrovos metu. Naudojami vanadžio elektrodai.

Impulso energija yra apie 1J, frontų trukmės apie 1 μ s. Šie parametrai gali būti keičiami keičiant

mažaindukcinių kondensatorių bateriją.

VP1-3.1-ŠMM-06-V-01-003

14

6. Korpusas parinktas standinto plieno, iš išorės padengtas poliuretano gumos sluoksniu, su stipria

rankena transportavimui. Apsaugai nuo dulkių naudojamas apvalkalas.

VP1-3.1-ŠMM-06-V-01-003

15

Slėgio impulsų matavimo metodika.

Poringoms medžiagoms tirti gali būti naudojami trumpi slėgio impulsai. Tokie impulsai turi platų

dažnių spektrą (0-100kHz), todėl pasižymi gera skiriamąja geba. Geriausia juos generuoti panaudojant

mikrokibirkštį. Tokia kibirkštis sukuria trumpą slėgio padidėjimą mažame tarpelyje tarp elektrodų ir dėl to

yra išspinduliuojamas trumpas akustinis impulsas beveik iš taškinio šaltinio.

Sukurti slėgio impulsai buvo matuojami kondensatoriniais plačiajuosčiais mikrofonais Microtech

Gefell MK301 arba MK801 RFT. Matavimų schema parodyta 2.6 pav.

2.6 pav. Vieno akustinio kanalo struktūrinė schema.

Šaltinis S išspinduliuoja slėgio impulsą, jis sklinda oru, pirma patenka į matuojamąjį mikrofoną M1 ir

sklinda toliau iki bandinio. Tuomet dalis energijos atsispindi nuo bandinio ir vėl patenka į tą patį mikrofoną

M1. Kita dalis praeina į bandinį, sklinda juo ir yra slopinama. Šio impulso dalis vėl grįžta atgal ir prisideda

prie atsispindėjusio impulso, tuo tarpu kita dalis, kuri yra tik praėjusi patenka į kitą mikrofoną M2. Kadangi

iškrovos metu atsiranda trumpi padidėjusio slėgio impulsai, tai jie gerai išskiriami laike ir lengvai paskui gali

būti analizuojami.

Priimti mikrofonais elektriniai signalai toliau stiprinami mikrofoniniais plačiajuosčiais stiprintuvais.

Jeigu bandinys yra skystų putų konsistencijos, tai ir mikrofonas M2 dedamas šalia mikrofono M1 tik

pastumtas tam tikru atstumu. Tada atspindys į jį patenka kitu kampu. Abu mikrofonai turi panašias beveik

plokščias iki 100 kHz dažnines charakteristikas . Nedideli neatitikimai tarp mikrofonų jautrumų ir stiprintuvų

stiprinimo nustatomi matuojant sistemą be bandinio ir vėliau naudojami koreguojant sistemos perdavimo

funkciją. Signalai po stiprintuvo paduodami į skaitmeninį osciloskopinį TiePie dviejų kanalų priedėlį HS3

VP1-3.1-ŠMM-06-V-01-003

16

arba į 4 kanalų 14 bitų skyros priedėlį PicoScope 5442B valdomą kompiuterio naudojant MATLAB

programinį paketą. Vėlesnis rezultatų apdorojimas taip pat vykdomas naudojant MATLAB arba Matcad

priemones. (Trumpas programų aprašymas pateiktas 2 priede.)

Generuojami mikrokibirkštimi slėgio impulsai pirmajame ir antrajame mikrofonuose parodyti 2.7 pav.

naudojant 10 MHz diskretizavimo dažnį.

2.7 pav. Priimti mikrofonais impulsai pirmuoju (1) ir antruoju (2) mikrofonais. Impulsas priimtas

tuščioje kiuvetėje parodytas (3) kreivėje.

Matavimai buvo atlikti per 4 cm diametro skylę bandiniu naudojant etaloninius kviečių grūdus (švarūs,

beveik vienodų matmenų) ir difrakcijos efektai sklindant garsui per tokią skylę yra gerai matyti, nes šios

skylės veikia kaip tam tikri rezonansiniai filtrai. Šių signalų spektrai parodyti 2.8 pav. Dažnių juostą apriboja

mikrofonų dažninės charakteristikos ir didesniuose nei 200 kHz dažniuose lieka tik triukšmas.

2.8 pav. Signalų spektrai. Pažymėjimai tie patys, kaip ir 2.7 pav.

VP1-3.1-ŠMM-06-V-01-003

17

Skaičiavimų metodika.

Visi matavimai buvo atliekami kompiuterizuota sistema naudojant MATLAB programinį paketą.

Matavimų ir skaičiavimų blokinė schema parodyta 2.9 pav. Matavimai gali būti vykdomi naudojant abu

akustinius kanalus, arba tik vieną. Šiais atvejais skirsis naudojamos procedūros – vienos matavimams vienu

kanalu ir kitos abiem kanalais. Rezultatų apdorojimas vykdomas pagal tą pačią schemą.

2.9 pav. Bendroji matavimų schema.

Inicializuojamas TiePie HS3 arba

PicoScope priedėlis

Paleidžiami matavimai, procedūra

Akustika

Rezultatų apdorojimas

Paruosiamasis , atsmatrica

irasyti (failo_vardas_Nr.dat)

Jeigu klaida = 1

Jeigu klaida = 0

VP1-3.1-ŠMM-06-V-01-003

18

3 TYRIMŲ REZULTATAI

3.1 DUOMENŲ GAVIMO BEI APDOROJIMO ALGORITMAI IR JŲ PRITAIKYMAS

TIRIAMIESIEMS PAVYZDŽIAMS

Žemiau parodyta akustinio impulsinio signalo aparatūrinio ir programinio apdorojimo algoritmo

veiksmų seka. Matuojamoji dalis yra analogiška kiekvienam kanalui, kurių gali būti nuo 1 iki 4,

priklausomai nuo poreikio.

Ši metodika buvo išbandyta su keletu rūšių iš projekto partnerių gautų maisto pramonės ir nemaistinių

objektų: įvairių rūšių šokolado masės granulės, plaktinė konditerinė masė, įvairios kokybės kviečių grūdų

mišiniai, atvirkštinio osmoso plėvelės bei filtrai. Bandinių parinkimas buvo nulemtas galimų taikymo sričių

partnerių įmonėse.

3.1 pav. Bendroji akustinių signalų aparatūrinio ir programinio apdorojimo algoritmo schema.

Priimtųjų ir suformuotų į skaitmeninius failus akustinių signalų apdorojimo algoritmą sąlyginai galima

suskaidyti į šiuos žingsnius:

1. Duomenų sinchronizavimas pagal pirmojo tiesiogiai atėjusio akustinio fronto pradžią.

Tai, kaip taisyklė, būna signalas iš atspindžio mikrofono. Fronto pradžios taškas randamas atėmus

fiksuotą skaičių (fronto pusplotį) iš pirmojo slėgio maksimumo taško numerio. Papildomai atimamas ir

VP1-3.1-ŠMM-06-V-01-003

19

fiksuotas priešfrončio srities taškų skaičius. Taip daroma dėl to, kad pastebėta, jog slėgio fronto stabilumas

kartais yra geresnis, nei aparatūrinis sinchronizavimo stabilumas. Nustatyta, kad taip sinchronizuojant

gaunamas nestabilumas laike neviršija vieno- dviejų skaitmeninio keitiklio taktų (~0,1μs).

Tai atliekama tiek su atspindėtais, tiek su praėjusiais signalais, tokiu būdu sukompensuojant įvairių

matavimų užlaikymo laikų skirtumus. Bendras signalo postūmis laiko ašyje atitinka tik pastovų fazės

postūmį signalų spektruose.

3.2 pav. Dviejų kanalų akustinis signalas.Čia n- taško numeris

2. Duomenų normavimas, pagal tiesioginio signalo slėgio maksimumą.

Tai leidžia išvengti aparatūros stiprinimo koeficientų skirtumų tarp skirtingų matavimų. Dėl

kondensatorinių mikrofonų jungimo specifikos teigiamo slėgio maksimumas atitinka stiprintuvo išėjimo

įtampos minimumą. Pagal jį ir normuojamas signalas. Mes taip pat išbandėme normavimą, ne pagal signalo

maksimumą, bet pagal bendrąją energiją. Pirmuoju atveju yra kompensuojamas impulso amplitudės

nestabilumas, antruoju- maitinančiojo kondensatoriaus pradinės įtampos nestabilumas. Abiem atvejais

gaunamas panašus stabilumas.

3. Erdvinės struktūros analizė. Duomenų filtravimas laiko srityje.

Šiame etape pirmiausia išrenkamas dominantis laiko intervalas, kuriuo apribojama nagrinėjamoji

erdvės sritis ir žemiausias spektro dažnis. Pašalinant taškus už nagrinėjamojo laiko intervalo ribų išvengiame

atspindžių nuo tolimųjų objektų įtakos. Dažnio skyrai padidinti signalus papildome nuliais.

Visgi galima tokia situacija, kai atspindžiai ar difragavusi nuo kažkurių akustinio trakto dalių energija

pakankamai stipriai susifokusuoja mikrofono srityje ties tam tikrais laiko momentais, kurie patenka į

nagrinėjamąjį langą. Tuo atveju gali būti naudojama Gauso langų laikinio filtravimo procedūra, kurios dėka

nepageidautinos atspindžių sritys yra susilpninamos. Tokių sričių pasiskirstymas yra susijęs grynai su

konkrečia matavimo stendo konstrukcija ir jas užtenka nustatyti tik vieną kartą, kalibruojant sistemą.

VP1-3.1-ŠMM-06-V-01-003

20

Šių sričių analizei mūsų buvo sukurta tiesinės bangos lygties su nuostoliais skaitmeninio modeliavimo

programa laisvos geometrijos cilindrinės simetrijos sistemai su laisvai užduodama bangos greičio bei

nuostolių funkcija, bei norimomis kraštinėmis sąlygomis. Tai leido sumodeliuoti slėgio lauko pasiskirstymą

iki 4 atspindžio einant smūginei bangai pro porėtą sluoksnį. Vėliau yra stebimas išsklaidyto slėgio lauko

ergodizavimasis ir laukas primena difuzinį. Tiriamąjį bandinį modeliavome kaip kvazitolydinį sluoksnį su

skirtinga nuo likusios terpės kompleksine greičio konstanta. Programa ir kai kurie rezultatai parodyti 3.3 pav.

3.3 pav. Impulsinio signalo praėjimo pro poringą sluoksnį modeliavimas.

4. Spartusis Furje transformavimas FFT.

Atliekamas, paruošiant duomenis tolimesniam išrinkimui dominančiuose dažnių ruožuose. Reikiamų

dažnių sričių išryškinimui ar jų įtakos svorio sumažinimui taip pat gali būti naudojamas Gauso filtravimas.

Toks filtravimas leidžia sustiprinti įtaką tų dažnių, kurie labiau svarbūs tiriamojo objekto kokybiniam

charakterizavimui. Pvz. Jei objektas yra biralai (grūdai ar pan. ), kiekvienas naujas to paties objekto

VP1-3.1-ŠMM-06-V-01-003

21

matavimas bus susijęs su geometrinės sklaidos pasikeitimu. Kaupinat informaciją iš keleto to paties objekto

matavimų galima išsiaiškinti būdinguosius geometrinės sklaidos dažnius ir pagal juos susikonstruoti

filtruojančiąją (kalibruojančiąją) funkciją- tai būtų Gauso langų skleidinys. Gauso funkcija naudojama todėl,

kad jos spektras taip pat yra Gauso funkcija. Ji nesukuria sinc tipo osciliacijų ties ruožo riba, be to patogiai

skaičiuojama analitiškai.

5. Filtravimas dažnių srityje ir dekompozicija.

Apdorojant rezultatus dažnai reikia gauti sistemos impulsinio atsako spektrą. Priimtą mikrofono

signalą laike M(t) galima aprašyti siunčiamojo signalo S(t) ir sistemos atsako H(t) kompozicija (konvoliucija,

žymėsime *):

M(t) = S(t) * H(t).

Kaip atraminį signalą mūsų atveju vietoje siunčiamojo signalo naudojome tiesiogiai į mikrofoną

atėjusią signalo dalį. Dažnių skalėje pagal konvoliucijos teoremą gauname paprastą perdavimo funkcijų

sandaugą: M(ω) = S() · H(ω).

Iš čia H(ω) = M (ω) · S -1

(ω).

Paprastai priimtame signalo spektre egzistuoja artimos nuliui (triukšmo lygiui) sritys, taigi, kad

išvengtume singuliarumo, vardiklį apribojame triukšmo eilės dydžio konstanta eps bei skaitiklį ir vardiklį

padauginame iš kompleksiškai sujungtinės funkcijos S(ω)‘ ir galutinai gauname:

H(ω) = S(ω)‘ · M( ω) / |S(ω) + eps|,

čia ženkliukas ‘ reiškia kompleksiškai sujungtinį dydį.

Impulsinio atsako funkciją ar jos modulį dažnai vadinsime tiesiog matuojamosios sistemos spektru.

6. Spektrų vizualizavimas ir pateikimas.

Spektrų ar jų tarpusavio koreliacijų atvaizdavimas atliekamas arba tiesiai MATLAB ar Matcad paketų

priemonėmis, arba aparatūros vidinėmis tvarkyklėmis, arba mūsų sukurta vartotojo sąsaja.

3.4 pav. Miltelių akustinio atspindžio perdavimo funkcijos spektro ir geometrinės histogramos

palyginimas.

VP1-3.1-ŠMM-06-V-01-003

22

3.4 pav. pavaizduotas šokolado miltelių normuotas akustinis spektras (viršuje) ir palyginimui

nuotraukos RGB geometrinis spektras, kuris gautas paimant optiniame vaizde liniją išilgai vienos

koordinatės ir atliekant vaizdo duomenų Furjė transformavimą. Akustiniame spektre dažnis pakeistas

atstumu, panaudojant išmatuotą bangos greitį. Tokia analizė buvo atlikta keletui šokolado žaliavos rūšių

(įvairaus kietumo) su išrūšiuotais granulių geometriniais parametrais. Nustatyta, kad akustinio spektro

maksimumo padėtį nulemia geometriniai grūdelių parametrai, o nuo produkto rūšies priklauso spektrinės

funkcijos forma. Optinis metodas teikia informaciją apie paviršinį grūdelių matmenų pasiskirstymą ir

atspalvį. Pastarasis stipriai priklauso nuo apšvietimo sąlygų.

7. Tiriamųjų objektų kokybinis įvertinimas arba priskyrimo klasėms algoritmas.

Vienas iš būdų įvertinti tiriamąjį objektą- naudoti kažkokius integrinius parametrus ir palyginti tų

parametrų nukrypimą nuo etalono. Etalonu gali tarnauti nebūtinai kažkoks kokybiškas gaminys, bet stabilus,

gerai išreikštų charakteristikų objektas, kurio atžvilgiu vertinami visi kiti duotos partijos objektai. Tuo tikslu

mes bandėme nagrinėti integrinės energijos (slėgio modulio integralo) pasiskirstymą įvairiuose spektro

dažnių ruožuose. Paprasčiausiu atveju integravome spektrinio tankio kvadratą nuo dažnio f1 iki dažnio f2, o

šiuos dažnius parinkdavome taip, kad geriausiai išryškintume kokybės tendenciją. Pvz. tai atlikome su

modeline iš KTU projekto partnerių gauta kvietrugių grūdų sistema, kurioje į kokybiškus grūdus po 10%

buvo įmaišoma ribinės kokybės (bet dar atitinkančios ES standartą) grūdų, turinčiu padidintą mikotoksinų

koncentraciją (3.5 pav.)

Tokiu būdu gavome 10 bandinių, kuriems matavome atspindį ir praėjimą. Geriausiu atveju parenkant

integravimo rėžius apie 30 kHz gavome tiesinę priklausomybę tarp užterštų grūdų koncentracijos ir

integrinės akustinės energijos su koreliacijos koeficientu R2

≈ 0,98. Visgi turime pastebėti, kad tokiu būdu

charakterizuoti bandinį vienu parametru yra per daug grubus metodas, kadangi vienos tiriamojo objekto

savybės (pvz. toksinų) nuokrypis gali būti kompensuotas kito parametro (pvz. drėgmės pakitimu). Taip pat

pastebėjome, kad tokie nedideli kokybės pokyčiai reikalauja pakankamai didelio- mažiausiai 14 bitų

matavimo tikslumo, esant mažesniam matavimo tikslumui tendencijos išryškėja tik matuojant daug kartų ir

vidurkinant praėjusią energiją.

VP1-3.1-ŠMM-06-V-01-003

23

3.5 pav. Kokybiškų (100%) ir ribinės kokybės (0% ) grūdų atspindžio ir praėjimo perdavimo funkcijų

spektrai be papildomo apdorojimo.

Spektrų koreliacijos metodas.

Norėdami palyginti tiriamųjų bandinių savybes vienu metu keliose dažnių juostose mes skaidėme visą

dažnių sritį į vienodo pločio ruožus ir skaičiavome tarpusavio koreliacijos funkciją tarp „etalono“ ir tiriamojo

bandinio tiek atspindžio tiek praėjimo signalams kiekviename dažnių ruože.

Tokių būdu gaudavome „koreliacijos pasiskirstymą nuo dažnio“. Tai leidžia daryti objekto nukrypimo

nuo normos kokybinį vertinimą, ypač tai pasiteisina, kai nukrypimai yra maži. Tokia analizė buvo atlikta su

iš partnerių gautais objektais: įvairių klasių maistiniais grūdais, įvairių technologijų šokolado granulėms,

konditerine plaktine putų mase ir ne maisto objektais- atvirkštinio osmoso plėvelėmis bei filtrais. Kai kurie

rezultatai parodyti 3 priede.

Metodo patikrinimui taip pat pabandėme rasti koreliaciją tuščios kiuvetes „pačios su savimi“. T.y. į

abu kanalus patalpinome tuščias kiuvetes ir radome jų atspindžio bei praėjimo spektrus. Skaičiavome spektrų

tarpusavio koreliacijas kiekvienoje dažnių juostoje. Gautas rezultatas parodytas 3.6 pav. Kaip matome dažnių

srityje iki 150 kHz stebima beveik šimtaprocentinė koreliacija. Nedideli stebimi nukrypimai buvo nestabilūs

laike ir susiję arba su akustiniais smūginiais triukšmais (pvz. statybinis triukšmas) arba su elektriniais

trikdžiais. Aukštesniuose dažniuose pasireiškė tiesiog savieji stiprintuvų triukšmai.

VP1-3.1-ŠMM-06-V-01-003

24

3.6 pav. Koreliacijos tarp tuščių kasečių praėjimo ir atspindžio spektrų ruožų atitinkamai. Sisteminių ir

atsitiktinių paklaidų patikrinimas. Metodika gerai atpažįsta „pati save“.

3.7 pav Koreliacijų tarp etalono ir tiriamojo objekto atspindžio (viršuje) ir praėjimo (apačioje) spektrų

pasiskirstymas įvairiuose dažnių ruožuose. Lyginamos dvi panašios tos pačios klasės osmoso plėvelės.

Artimas vienetui koreliacijos modulis reiškia spektrų panašumą atitinkamame dažnių ruože.

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 2001

0.8

0.6

0.4

0.2

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

kHz

CRnb

CTnb

nb LBf0

Dlen

VP1-3.1-ŠMM-06-V-01-003

25

8. Rezultatų kaupimo sistema.

Visi pradinių matavimų rezultatai kaupiami failuose .wav, .dat ar .csv formatuose. Taip pat sistemoje

susikuria gana daug pradinių parametrų, konfigūracinių bei kalibravimo failų, kurių dauguma yra tekstiniai.

Nuotolinei prieigai prie failų ir jų peržiūrai buvo sukurta originali sistema parašyta PHP ir JavaScript

kalbose, naudojanti viešos licencijos Server2Go serverį, kuris savo ruožtu naudoja Apache serverį su MySql

duomenų baze. Kliento sąsaja parašyta JavaScript kalba ir gali būti perduota į bet kurį kompiuterių tinklo

tašką. Iškvietimas turi vykti panaudojus tinklo naršyklę, palaikančią HTML5 kalbos standartą. Failų

persiuntimas vyksta http protokolu (galimas ir https saugusis variantas, bet tuomet įmonei reikia apsiforminti

saugumo sertifikatus). Ši sistema primena ir kitas nuotolinės failų prieigos sistemas (pvz. FTP klientus),

tačiau ji leidžia įsidiegiančiai įmonei pačiai kontroliuoti kodą, o tokiu būdu ir pačiai rūpintis tinklo sauga.

Kliento pusėje tiesiogiai nenaudojama operacinė sistema (tik per naršyklę).

3.8 pav. Rezultatų nuotolinio valdymo sistema.

9. Vartotojų sąsaja. Reikalavimai darbo vietai.

Matavimų patogumui buvo sukurta vartotojo sąsają MATLAB paketo objektinių bibliotekų pagrindu.

Sąsaja leidžia įvesti ar redaguoti mygtukais pagrindinius pradinius parametrus bei pavaizduoti išmatuotus ir

apdorotus signalus laiko ir dažnių srityje ar išdidinti šiuos vaizdus per visą ekraną. Buvo sukurti dviejų ir

keturių kanalų vartotojo sąsajos variantai.

VP1-3.1-ŠMM-06-V-01-003

26

3.9 pav. Grafinė vartotojo sąsaja.

VP1-3.1-ŠMM-06-V-01-003

27

4. PROJEKTO REZULTATŲ SKLAIDOS BŪDAI IR PRIEMONĖS

Projekto rezultatai pateikti 1 straipsnyje, taip pat pristatyti 4 tarptautinėse konferencijose ir 3 ITEA &

ARTEMIS aukščiausio lygio susitikimuose (Co-summits) (2011, Helsinki, Finland; 2012, Paris, France;

2013, Stockholm, Sweden). Projektas pristatytas ITEA2 tinklalapyje ir informaciniuose lapeliuose bei

plakate (Priedas Nr. 3). Sukurtas projekto tinklapis Akustika.tk .

Matavimo stendas demonstruotas Eureka ITEA vadovybei bei maisto pramonės atstovams

seminaruose Kaune.

VP1-3.1-ŠMM-06-V-01-003

28

5. PROJEKTO IŠVADOS, REKOMENDACIJOS IR SIŪLYMAI

Sukonstruotas ir padarytas dviejų akustinių kanalų impulsinių matavimų laboratorinis stendas,

leidžiantis atlikti vienu metu dviejų objektų palyginamuosius tyrimus. Sukurta akustinė impulsinė poringų

objektų tyrimo metodika. Iš slėgio signalų formos laike suskaičiuojami Furjė spektrai. Objektų palyginimai

atliekami naudojant juostinę spektrų koreliaciją.

Pagal kokybinius bandinių kriterijus sukurti algoritmai leido suklasifikuoti objektus pagal jų akustinių

spektrų ypatybes.

Metodika buvo išbandyta tiriant konditerijos pramonės naudojamas šokolado granules, plaktines

konditerijos mases, įvairios kondicijos grūdus ir pluoštines osmotines plėveles bei filtrus.

Matavimų tikslumo kontrolei panaudotas etalono saviidentifikacijos principas leido nustatyti

reikalingą laikinių matavimų tikslumą. Tokio rūšies tyrimams rekomenduojami minimalūs matavimo

aparatūros parametrai būtų tokie: kvantavimo skyra- 14 bitų, diskretizavimo dažnis- 1MHz, dinaminis

matavimo diapazonas- 90dB.

Projekto rezultatai turėtų būti reikšmingi pramonėje maisto saugos ir kokybės užtikrinimui bei

stebėjimui, o taip pat su tuo susijusių ekonominių nuostolių mažinimui.

VP1-3.1-ŠMM-06-V-01-003

29

6. LITERATŪROS ŠALTINIAI. PUBLIKACIJOS

6.1 NAUDOTA LITERATŪRA

1. Guo M., Shang Z., Shi H., 2005. Sound absorption measurements of various types of grain. Acta

Acustica united with Acustica 91: 915–919.

2. Juodeikiene G., Kunigelis V., Vidmantiene D., De Koe W.J., 2004. An acoustic screening method for the

determination of deoxynivalenol (DON) in wheat. Veterinarija ir Zootechnika/Veterinary Medicine and

Zootechnics 25: 52–59.

3. Juodeikiene G., Basinskiene L., Vidmantiene D., Bartkiene E., Kunigelis V., De Koe W.J., 2008. The

Rapid acoustic screening of deoxynivalenol (DON) in grain. World Mycotoxin Journal 1: 267–274.

4. Kulmyrzaev A., Cancelliere C. and McClements D.J., 2000. Characterization of aerated foods using

ultrasonic reflectance spectroscopy. Journal of Food Engineering 4: 235–241.

5. Kunigelis V., Senulis M., 2002. Acoustic investigation of air-filled porous materials. Acta Acustica

United with Acustica 88: 14–18.

6.2. PARENGTŲ ARBA NUMATOMŲ PARENGTI PUBLIKACIJŲ SĄRAŠAS

1. G. Juodeikiene, D. Vidmantiene, L. Basinskiene, E. Bartkiene, A. Monkeviciene, V. Adomaitis, V.

Kunigelis. Acoustic technique for the monitoring of deoxynivalenol (DON) in cereals // Scientific and

Technical Bulletin of Institute of Animal Biology and State Scientific Research Control Institute of

Veterinary Medical Products and Fodder Additives, 2011, Vol. 12, Nо 3-4, p. 429-437.

Dalyvauta konferencijose:

2. G. Juodeikiene. Acoustic technique for the monitoring of deoxynivalenol (DON) in cereals // The 4th

International Scientific-Practical Conference "Veterinary medical products: development, quality control

and application" : Programme. 2011 September 28-30, Lvov, Ukraine. p. 11.

3. G. Juodeikiene, L. Basinskiene, D. Vidmantiene, E. Bartkiene, V. Adomaitis. Acoustic wave application

for the analysis of the quality of porous food matrices // 7th Baltic Conference on Food Science and

Technology FOODBALT – 2012 : Conference program and abstracts. 2012 May 17-18, Kaunas,

Lithuania. p. 64.

4. V. Kunigėlis, A. Kanapeckas, V. Adomaitis. Object location with short acoustic pulses. // LNFK39, 2011.,

Programme and Abstracts, Vilnius, Lithuania. p.125.

5. G. Juodeikiene, A. Petrauskas, V. Adomaitis, V. Kunigelis. Non invasive food quality and safety

measurement using acoustics // 19th International Congress on Sound and Vibration : Congress

programme. 2012 July 8-12, Vilnius, Lithuania.

Projekto rezultatai pristatyti ITEA ir ARTEMIS aukščiausio lygio susitikimuose:

1. G. Juodeikiene. Acoustic wave application for the analysis of the quality and safety of porous food and

non-food matrices // ITEA & ARTEMIS Co-summit 2011, 2011 October 25-26, Helsinki, Finland.

2. G. Juodeikiene. Acoustic wave application for the analysis of the quality and safety of porous food and

non-food matrices // ITEA & ARTEMIS Co-summit 2012, 2012 October 30-31, Paris, France.

3. G. Juodeikiene. Acoustic wave application for the analysis of the quality and safety of porous food and

non-food matrices // ITEA & ARTEMIS Co-summit 2013, 2013 December 4-5, Stockholm, Sweden.

VP1-3.1-ŠMM-06-V-01-003

30

7. MTEP REZULTATAI

Sukurtų, paruoštų diegti ar įdiegtų naujų technologijų skaičius – 1 (naujas metodas).

Sukurtų naujų gaminių skaičius – 2 (1 impulsinių akustinių matavimų dvikanalis stendas + algoritmai

ir programinė įranga duomenų kaupimui ir analizei).

Pateiktų tarptautinių patentinių paraiškų pagal Patentinės kooperacijos sutartį ir Europos patentų

konvenciją skaičius – 0.

Pateiktų nacionalinių patentinių paraiškų skaičius – 0.

Įgytų patentų skaičius – 0.

Publikacijų žurnaluose, įtrauktuose į Mokslinės informacijos instituto sąrašą, skaičius – 1.

Apgintų disertacijų skaičius – 0.

Sukurtų naujų darbo vietų verslo įmonėse skaičius – 0.

Sukurtų naujų darbo vietų mokslininkams ir tyrėjams verslo įmonėse skaičius – 0.

Kiti projekto įgyvendinimo metu pasiekti rezultatai – projekto rezultatai pateikti 1 straipsnyje, taip pat

pristatyti 4 tarptautinėse konferencijose ir 3 ITEA ir ARTEMIS aukščiausio lygio susitikimuose (Co-

summits, pranešėja- koordinatorė), be to, akustinis stendas buvo pristatytas ir demonstruotas ITEA

vadovybei, ekspertams, bei Siemens kompanijos atstovams ataskaitinių projekto seminarų metu Kaune.

VP1-3.1-ŠMM-06-V-01-003

31

8. PRIEDAI

1 PRIEDAS. Publikuotų darbų kopijos.

2 PRIEDAS. Sukurtų programinių modulių tekstai.

3 PRIEDAS. Kai kurių matavimų apdorojimo protokolai.