数字揭穿:模拟可以帮助食品制造商实现完美的麦片脆?

在美国，一些最受欢迎的谷类食品，如玉米泡芙、米脆饼和水果卵石，都有一个独特的特点——那就是与众不同脆皮当牛奶倒在上面时发出的声音。米花已经成为了他们的标志，如果这个名字还没有被人知道的话，并且从1932年开始用他们著名的“啪、啪、啪”的口号向儿童(和成人)推销这种麦片。

让麦片爆开都是从烹饪过程．随着米粒的膨胀，它们在受热时产生了空气袋和空气通道。当加入牛奶时，谷物吸收了液体，这种相互作用产生的压力打破了每一块碎片的“壁”——这就是著名的提前．

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表面上随机的空气袋和空气通道。使用AlphaCell的纵槽技术Matelys研究实验室，我们的团队不仅试图发现这项技术是否可以模拟谷物本身，而且是否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/或耐久性。

用振动声学技术研究食品的老化和品质

在开始这项谷物实验之前，Matelys公司的工程师们想要确认是否可以记录某些食物的声音反应，以及这些记录是否能产生有意义的结果。

以面包为例，他们用AlphaCell软件包进行了一项研究，观察两种不同类型的面包在8天内的吸声系数。由于一些食品具有渗透性、软性和同质性，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的频率下，一种给定的材料吸收多少声能。一种材料的吸声系数越高，周围的环境就越安静。吸声系数为1表示该材料在该频率下吸收了100%的声能。

结果表明，面包之所以老化是因为它在不同频率下的吸声系数会在几天内发生变化。换句话说，即使我们不知道一片面包的年龄，我们也可以通过看面包的声音特征来找到答案。

当我们通常想到吸声系数时，我们想到的是剧院或录音棚墙壁上的材料;改善或放大空间中音乐或声音的材料。但每一种材料，包括面包，至少都能吸收一些声音能量。我们可以看到，曲线中关于频率的峰值，以及曲线的总体幅度，随着面包的老化而增加。不过，这种增长不会永远持续下去。它会逐渐变细，从这两条day-8曲线可以看出。这是因为随着时间的推移，面包的微观结构发生了变化。

随着面包的老化，它会失去柔软和水分。面包物理特性的这些变化也导致了其声学特性的变化。这些变化可以被测量，甚至是反向工程。换句话说，如果我们知道面包的声音吸收，我们就可以估计它的年龄。

现在知道了某些食物的孔隙度可以用于声学研究，我们又回到了米花。就像对面包一样，对谷物进行了测量，看看我们是否可以用数值表示它的形状和组成，作为一种模拟声学多孔材料。模拟多孔复合谷物必须考虑其排列的形状和包裹体的孔隙率。

在这里，大米脆饼几乎是完美的模拟在阿尔法细胞作为多孔复合材料。我们通过估算谷物的三种内在特性来做到这一点:孔隙度(谷物内部自由空间的数量)、空气流动电阻率(谷物抵抗空气通过它的能力)和弯曲度(谷物中的多孔内含物有多“扭曲”)。

我们识别并模拟了米花的形状(颗粒的形状、大小和排列)和内部孔隙度(单个颗粒内部的小空气袋)的影响。我们可以通过将谷物模拟成不透水的谷物(即将谷物中的气穴去除，并将其制成固体颗粒)来观察气穴对吸声系数的影响。这大大降低了吸声系数。如果没有腔，谷物就不能吸收声波。也就是说，我们不会听到那么有名的脆皮早餐时间的声音!

食品制造商应该考虑使用模拟来验证他们的产品质量，在随后的过程中必须重申设计。例如，家乐氏可以声学测量米脆(以一种快速、非破坏性的方式)，他们可以将这些结果与模拟值进行比较。这两组数据之间的任何差异都会让凯洛格公司知道，生产过程中存在质量变化。

食品包装也可以受益于模拟驱动设计，因为模拟可以降低成本和质量控制劳动力。我们举起一个有铝箔盖的酸奶杯，不同程度地展示制造商如何使用振动声学来检查包装是否有缺陷或是否被篡改。

尽管这是一项非常规的研究，但吸声系数的结果表明，设计师确实可以利用这类研究的数据进行质量控制。我们的研究表明，酸奶杯的吸声系数随着杯盖拉开的距离而改变。值得注意的是，我们观察到盖子的闭合与一个特殊频率的尖峰有关。它作为一种快速而有效的方法来识别生产线末端任何未完全密封的产品。

AlphaCell的技术可以应用于一系列行业;它不仅在工业、汽车和消费品领域有用，而且在食品领域(和其他领域)也有用。振动声学测试可以加快上市时间，比物理测试多个单独的生产变量更实惠。制造商投入大量时间和金钱进行物理原型设计，以验证产品性能。他们必须确保他们的产品符合客户和行业标准。通过仿真技术，制造商可以在设计过程中更早地发现零件和产品的缺陷，节省时间和金钱。

AlphaCell直观的用户界面可以轻松完成快速模型设置，进行快速计算，并根据测量数据验证噪声、振动和严酷度(NVH)评估。用户可以了解声学性能，选择模拟执行，并优化模型在一个单一的平台内内置独特的功能和完整的脚本功能。

有关更多信息，Altair用户可以访问AlphaCell通过牵牛星伙伴联盟．