超声各向异性衰减揭示茭白茎秆空腔形成机制及无损检测新方法

本研究针对茭白采后内部空腔难以无损检测的行业难题，通过系统分析超声波在茎秆同心环结构中的各向异性衰减规律（径向衰减系数αext显著高于切向），建立空腔直径与信号衰减的定量关系（R2=0.97262），开发出基于多角度超声测量和边界映射算法的3D重建技术，检测准确率达95%，为果蔬采后品质控制提供了创新解决方案。

　　

在果蔬采后品质控制领域，内部缺陷的无损检测一直是技术瓶颈。传统方法如电学检测操作复杂，光学技术难以穿透深层组织，核磁共振则成本高昂。茭白等茎秆类蔬菜因内部空腔问题严重影响商品价值，但现有技术无法实现快速精准的无损评估。这项发表在《Postharvest Biology and Technology》的研究，首次揭示了超声波在植物组织中的传播规律，并开发出革命性的空腔检测技术。

研究团队采用50kHz超声探头（CTS-8077PR系统）结合快速傅里叶变换（FFT）分析，通过激光共聚焦显微镜定量不同组织区域孔隙密度φ=S_P/S_T，建立三维数据库映射外径-振幅-空腔直径关系。针对市场采集的茭白样本，运用边界映射算法和Quickhull算法实现多截面三维重建。

【各向异性衰减规律】

通过1.5mm立方体样本的径向/切向对比实验，发现超声波在同心环结构中呈现显著各向异性：径向衰减系数（α_ext）始终高于切向，且从髓心（64.04%孔隙率）到表皮（1.03%）呈梯度下降。跨截面传播实验证实声波会绕开高孔隙区域形成弯曲路径，这解释了为何髓缘区信号强度反而高于中心区。

【空腔影响机制】

构建直径0-14mm的模拟空腔模型，发现振幅与空腔直径呈线性负相关（y=-0.37793x+9.31548）。椭圆空腔实验揭示关键规律：探头垂直方向的空腔长度决定信号衰减程度，平行方向几乎无影响。这为任意形状空腔的检测提供了理论依据。

【三维重建应用】

通过7个角度（25.7°间隔）的测量数据，结合最小二乘曲面拟合（z=f(x,y)）和边界映射算法，实现空腔轮廓重建。在60个截面的验证中，检测准确率达95%，重建模型与实际解剖结构高度吻合。

该研究不仅阐明了植物组织中超声传播的物理机制，更建立了首个基于各向异性衰减的果蔬内部缺陷检测体系。所开发的3D重建技术可推广至竹笋、甘蔗等具有同心环结构的作物，为采后品质分级提供了标准化工具。研究团队特别指出，该方法无需复杂设备改装，现有超声仪器即可实施，具有显著的产业化应用前景。未来通过结合机器学习优化数据库，有望将检测精度提升至更高水平。