Hollow heart is a problem quite specific to seedless watermelon, affecting to all varieties. Percentage of fruits affected range from nil to up to more than 50% of the fruits. The acoustic impulse response of 158 watermelons was measured using a prepolarized free-field microphone. After carrying out a fast Fourier transformation on the time signal of the generated sound several acoustic parameters were evaluated. Values of spectral density were significantly different between 'good watermelons' and 'hollow heart watermelons'

Diezma Iglesias, Belen

Orihuel Iranzo, B.

Ruiz-Altisent, Margarita

Archivo Digital UPM

Detección del ahuecado interno en sandía sin semillas usando métodos acústicos.

Servicio de Coordinación de Bibliotecas de la Universidad Politécnica de Madrid

DETECCIÓN DEL AHUECADO INTERNO EN SANDÍA SIN SEMILLAS 
USANDO MÉTODOS ACÚSTICOS 
Diezma Iglesias, B.; Ruiz-Altisent, M.; Orihuel Iranzo, B*. 
Laboratorio de Propiedades Físicas. Dpto. Ingeniería Rural. E.T.S.I.Agrónomos. U.P.M. 
Avda. Complutense s/n. 28040 Madrid. * Anecoop S. Coop. Monforte 1, Entlo. 46010 
Valencia 
e-mail: bdiezma@iru.etsia.upm.es 
Sonic techniques for detecting hollow heart in seedless watermelon 
Hollow heart is a problem quite specific to seedless watermelon, affecting to all 
varieties. Percentage of fruits affected range from nil to up to more than 50% of the 
fruits. The acoustic impulse response of 158 watermelons was measured using a 
prepolarized free-field microphone. After carrying out a fast Fourier transfonnation on 
the time signal of the generated sound several acoustic parameters were evaluated. 
Valúes of spectral density were significantly different between 'good watermelons' and 
'hollow heart watermelons'. 
Palabras clave: acoustic, nondestructive methods, internal disorder/ sonido, métodos no 
destructivos, desórdenes internos 
1. Introducción 
En las variedades de sandías sin semillas aparece agravado un problema tiene poca 
incidencia en la sandía tradicional: el ahuecado y/o agrietado interno. La pulpa de la 
sandía ahuecada no tiene la frescura y calidad organoléptica de la sandía buena sin 
ahuecamientos. En la actualidad el único método del que se dispone para la detección de 
la sandía ahuecada es la inspección realizada por los expertos, quienes manifiestan que 
la forma más eficaz para la identificación de sandías con problemas de calidad interna 
es golpear el fruto y atender al sonido que se produce. Pero el procedimiento está 
sometido a la subjetividad del técnico, quien en algunas partidas necesita un pequeño 
adiestramiento previo para la identificación del problema del ahuecado/agrietado. 
Además, resulta inviable golpear manualmente todas las unidades que pasan por una 
línea de confección y envasado, por lo que al final del proceso el porcentaje de sandía 
hueca en destino es incontrolable y preocupante, puesto que puede exceder las normas 
de calidad del producto. 
Las propiedades acústicas de algunos productos agrícolas han sido estudiadas con el 
objeto de relacionarlas con la firmeza y/o el estado de calidad interna de los mismos. 
Para producir la excitación vibratoria del producto frecuentemente se ha utilizado un 
impacto mecánico controlado (Armstrong, Stone, and Brusewitz 1997),(Farabee and 
Stone 1991). Los elementos sensores que recogen la vibración difieren de unos trabajos 
a otros, estando constituidos por instrumentos piezoeléctricos (Stone M.L. et al. 1996), 
o por micrófonos de diferentes características según las aplicaciones (De Belie et al. 
2000). 
En este artículo se exponen los trabajos realizados hasta el momento y encaminados al 
diseño y desarrollo de un dispositivo no destructivo basado en las características de 
transmisión de sonido, que permita la identificación de sandías con ahuecado y/o 
agrietado interno. 
2. Materiales y métodos 
El elemento fundamental del dispositivo de adquisición de la señal acústica es un 
micrófono prepolarizado V2" de campo libre (Brüel and Kjaer, modelo Falcon) con un 
rango de frecuencias de 6.3 Hz a 20 kHz y una sensibilidad de 50 mV/Pa. Un 
preamplificador para la adaptación de impedancias une el micrófono con el 
acondicionador de señal. El acondicionador microfónico NEXUS (B&K) permite la 
comunicación entre el transductor y la tarjeta de adquisición de datos y proporciona 
gran versatilidad en el tratamiento de la señal. Las amplias posibilidades que brinda 
este acondicionador de señal han permitido realizar ensayos con diferentes filtros 
(filtros paso banda) y ganancias. 
El almacenamiento de datos utiliza una tarjeta de adquisición Computer Boards CIO-
DAS08 que reúne las siguientes características: 12 bits de resolución, 40 kHz de 
frecuencia de muestreo, + 10 V de rango de tensión, 8 entradas analógicas y 24 
conexiones entrada /salida digitales. La interfaz que permite la grabación de los puntos 
que definen cada impacto es un programa escrito en C++. Este programa de fácil 
manejo para el usuario, muestra la curva "tiempo vs. intensidad" correspondiente a cada 
sonido registrado, permite la configuración de algunos parámetros (umbral de 
sensibilidad, número de puntos a registrar...) y guarda cada señal en un archivo 
predeterminado de extensión .ssn. 
Con el fin de obtener una secuencia en el dominio de la frecuencia aplicamos la 
transformada rápida de Fourier (fft) a la secuencia en el tiempo correspondiente a cada 
uno de los impactos. La fft efectúa la relación entre N términos de una secuencia en el 
dominio del tiempo y N términos de otra en el dominio de la frecuencia. Un pequeño 
macro escrito en Matlab aplica el algoritmo de la fft a cada archivo .ssn y extrae una 
serie de parámetros de la curva "frecuencia vs. intensidad": valor de la máxima 
intensidad, frecuencia en la que se da la máxima intensidad y diferentes "densidades 
espectrales". 
La obtención de la transformada de Fourier normalizada es frecuentemente citada en la 
literatura; el macro mencionado anteriormente también normaliza el espectro y nos 
devuelve un espectro cuyos valores de intensidad están comprendidos entre 0 y 1: la 
frecuencia de máxima intensidad (frecuenciaraáX) tiene una intensidad igual a 1 en la 
curva normalizada, y el resto de las frecuencias (frecuenciai) tienen una intensidad igual 
al resultado de la expresión "intensidad frecuenciamáX /intensidad frecuenciai". De la 
curva normalizada extraemos idénticos parámetros "densidades espectrales," a efectos 
de nomenclatura añadimos a éstos el sufijo N (normalizados). 
A lo largo de los ensayos con material vegetal se han utilizado 2 tipos de soportes para 
la sujeción de las sandías y otros tantos tipos de alojamientos para el micrófono. Los 
resultados obtenidos con el primero de los soportes (cilindro de material plástico rígido 
con material de recubrimiento en el borde para no dañar la sandía) no dio ningún 
resultado satisfactorio, por lo que se optó por un soporte de madera con un orificio 
encasquillado que permite la guía y sujeción del micrófono y su cable. La solución final 
incluye el soporte de madera. 
El método generador de la excitación acústica consiste en un dispositivo pendular al que 
pueden acoplarse cabezas semiesféricas de diferentes masas, lo que ha permitido 
encontrar el impacto que produce una energía adecuada para excitar acústicamente las 
sandías sin producir saturación de señal en los equipos de adquisición de la misma. 
Durante la campaña 2000 un total de 158 sandías procedentes de las provincias de 
Valencia y Almería fueron ensayadas utilizando todos los elementos descritos 
anteriormente. La elección de muestras en los puntos de recepción de material en 
cooperativa fue llevada a cabo por técnicos expertos, que trataron de seleccionar la 
mitad de las unidades con problemas de calidad interna y la otra mitad con calidad 
óptima para el consumo. Las dificultades de conocer el estado interno de la sandía hace 
que en ocasiones los envíos estuvieran desequilibrados en uno o en otro sentido y que 
aparecieran otros problemas de calidad interna como inmadurez, sobremadurez...; se 
analizaron 105 sandías "buenas" y 53 sandías "huecas", con un amplio rango de 
volumen de hueco (5 - 1400 mi de agua) 
Sandía de buena calidad interna Sandía ahuecada 
Los ensayos acústicos se llevaron a cabo colocando cada una de las sandías sobre el 
soporte de madera que brindó puntos de apoyo para la estabilidad de la fruta. Se fijaron 
dos puntos de impacto en cada sandía a lo largo de la línea ecuatorial separados entre sí 
un ángulo de 90°; en cada uno de los puntos se realizaron 9 repeticiones (9 impactos) 
agrupados en 3 colocaciones diferentes. 
La clasificación de sandías en dos categorías, "buenas" y "huecas", se llevó a cabo al 
cortar las sandías diametralmente y constatar la presencia o no de huecos y/o grietas. 
Rellenando cada hueco con agua se determinó el volumen de ahuecado de las unidades 
que presentaban esta disfunción. 
Otras medidas se realizaron para caracterizar cada una de las sandías analizada: 
determinación de pesos, diámetros máximo y mínimo y longitud flor-pedúnculo, con 
estas medidas podemos tener una mínima caracterización de la forma y el volumen; 
realización de ensayos en agua, "drop-test", en los que se caracteriza el movimiento de 
la sandía en un volumen determinado para obtener parámetros que puedan relacionarse 
con su densidad (velocidad de ascenso, volumen de agua desplazado...); caracterización 
de la corteza, para lo cual se realiza un ensayo de compresión con bola en una zona de 
la corteza próxima al punto donde se dan los impactos en el ensayo acústico, empleando 
para ello una máquina universal de ensayos (Texture); determinación de los sólidos 
solubles de la pulpa mediante un refractómetro digital; caracterización del estado de 
calidad de la pulpa mediante un ensayo de penetración Magness-Taylor con vastago de 
8 mm de diámetro. 
3. Resultados y discusión 
En los ensayos realizados tenemos nueve impactos por sandía y posición (0o ó 90°), 
para el análisis de datos se calcularon las medias de los parámetros acústicos obtenidos 
de cada uno de esos nueve impactos, de manera que cada unidad de fruta quedó 
caracterizada por un conjunto de datos correspondiente a la posición 0o y otro 
correspondiente a la posición 90°. Los análisis de la población se hicieron tomando 
separadamente los valores de 0o y los valores de 90°, los resultados son prácticamente 
idénticos. 
Para comprobar si existían diferencias significativas entre los valores de los parámetros 
acústicos de las sandías huecas y de las sandías buenas se utilizó el análisis de varianza 
(ANOVA, p<0.05). Todas las variables "densidades espectrales N" mostraron 
diferencias significativas entre "huecas" y "buenas", siendo la variable "densidad 
espectral Ni" la que presentó mayor F: 
Box & Whisker Plot densidad espectral N1. Impacto 90° Box & Whisker Plot densidad espectral N1, Impactos 0° 
n=158, F=133.5 n= 158, F=127.7 
I I ±Std. Err. 
h b D " " i h i> D M « n 
calidad interna calidad interna 
Discriminación entre sandías "h" y "b" según Discriminación entre sandías "h" y "b" según 
densidad espectral Ni en puntos de impacto 0o densidad espectral Ni en puntos de impacto 
90° 
Basándonos en los gráficos anteriores se estableció un criterio simple de separación que 
únicamente contenía la variable densidad espectral Ni: se consideró que las sandías con 
valor de "densidad espectral Ni" superior a 25 habían sido clasificadas por el sistema 
acústico como "huecas", y las que presentaban densidad espectral Ni inferior a 25 como 
"buenas". Con este criterio se obtuvo un 82% de bien clasificadas, con 12 sandías 
"huecas" clasificadas como buenas y 16 "buenas" clasificadas como "huecas". 
Estudiando las características de las unidades mal clasificadas se vio que algunas de las 
"buenas" clasificadas como "huecas" presentaban problemas de sobremadurez, lo que 
podría explicar cierto porcentaje de error, más si tenemos en cuenta que los técnicos de 
5 * 
re 3 5 
i: i-
10 
I o \ 
x *std. D* 
• ±Std. Err 
-z. 
1 1 • o 
<s 
1 1 •s 
46 
35 
25 
15 
cooperativa en ocasiones no distinguen las sandías huecas o agrietadas de las sandías 
sobremaduras. 
Se llevaron a cabo varios análisis discriminantes para comprobar qué variables eran 
seleccionadas en cada caso de entre todas las "densidades espectrales N" y cómo 
mejoraba el porcentaje de bien clasificadas con cada una de las funciones 
discriminantes. En todas las funciones discriminantes se incluía en primer término la 
variable "densidad espectral Ni". La función discriminante obtenida al incluir los datos 
correspondientes a los impactos 90° del conjunto de los envíos contenía 6 "densidades 
espectrales N" correspondientes a diferentes zonas de la curva, y resultaba ser la que 
alcanzaba el mayor porcentaje de unidades bien clasificadas: 86%. 
Parece evidente que los casos de sandías "huecas" clasificadas como "buenas" son, 
generalmente, los casos que presentaron menor volumen de hueco. Para comprobar esta 
suposición se realizó una clasificación no supervisada (distancia Euclídea, método de 
Ward), incluyendo en el análisis todas las "densidades espectrales N". Los resultados se 
muestran en los dos gráficos siguientes. 
Diagrama de árbol para 158 casos. Impactos 0o 
Método de Ward. Distancia Euclídea 
1000 1600 
Distancia de unión 
Grupo 1 
5.85 kg 
184.57 mi 
Grupo 2 
4.98 kg 
13 mi 
Grupo 1.a 
6.01 kg i 
327.5 mi | 
Grupo l.fo 
5.7 kg | 
45.5 mi i 
Grupo 2.b 
5.05 kg i 
23.7 mi | 
Grupo 2.a 
4.91 kg ¡ 
Oml j 
Clasificación no supervisada incluyendo 
las variables densidades espectrales N 
Medias de peso y volumen de hueco para 4 
subgrupos de la clasif. no supervisada 
Los grupos 2.a y 1.a son los que contienen los casos extremos de la población total, 
sandías sin hueco sandías y sandías con un gran volumen de hueco respectivamente, y 
los que están más distanciados en el árbol de clasificación. Los grupos 2.b y l.b son los 
que presentan niveles de ahuecado intermedios, siendo los que incluyen las sandías mal 
clasificadas según el criterio simple del valor umbral de "densidad espectral Ni". 
En los análisis expuestos anteriormente se consideró el total de la población (158 
sandías). Los mismos análisis se realizaron para cada envío por separado, a pesar del 
reducido número de frutas que lo componen (de 18 a 10 unidades). De este modo se 
quería comprobar que pese a la heterogeneidad de las partidas, los parámetros acústicos 
discriminaban entre "huecas" y "buenas" en cualquiera de los lotes manejados. Sin 
embargo, aunque en todos los lotes se mantuvieron las tendencias en las medias de los 
grupos "buenas" y "huecas", en 3 de ellos el valor umbral de "densidad espectral Ni" 
para la separación de los dos grupos de sandía variaba notablemente. Hasta el momento 
no se han encontrado las fuentes causantes de estas fluctuaciones. 
4. Conclusiones 
La excitación acústica de sandías mediante impacto mecánico controlado puede 
constituir un método no destructivo útil para la determinación de la calidad interna de 
esta fruta, especialmente para la detección de ahuecado y/o agrietado en la pulpa. 
Algunos de los parámetros acústicos "densidad espectral N" son los que mejores 
perspectivas presentan para la separación de sandías normales y sandías afectadas por 
problemas internos. En este momento es necesario realizar una validación de los 
modelos de estimación propuestos con unos ensayos que incluyan al menos 500 sandías. 
Los espectros que resultan del tratamiento de la señal en el tiempo mediante la 
transformada rápida de Fourier contienen información útil en las bajas frecuencias, 
prácticamente más allá de 500 Hz la señal se hace 0; por ello los elementos de 
adquisición de la señal acústica han de ser sensibles a bajas frecuencias y tener una 
respuesta lineal en ellas, lo que nos hace ser exigentes y restringir las posibilidades de 
utilización de micrófonos y acondicionadores microfónicos con una respuesta limitada 
en el rango de frecuencias citado. Esto constituye un inconveniente si pensamos en el 
diseño de un dispositivo portátil, pues los micrófonos y acondicionadores que 
satisfacen nuestros requerimientos tienen un volumen determinado que podría resultar 
excesivo en un sistema portátil para trabajo en campo. 
Las variaciones en el impacto mecánico generador de la excitación acústica producen 
diferencias significativas en el parámetro intensidad máxima, mientras que tienen menor 
influencia en las "densidades espectrales N", lo que nos brinda una ventaja para el 
diseño de un dispositivo portátil que requiere de un sistema impactador ligero y de 
menores requerimientos de control. 
5. Agradecimientos 
Los autores desean expresar su agradecimiento a la Comisión Interministerial de 
Ciencia y Tecnología (Proyecto PETRI 95-0376-OP) y a la Comunidad Autónoma de 
Madrid (Beca FPI) por la financiación de este proyecto. 
6. Referencias bibliográficas 
1. Armstrong, P. R., M. L. Stone, and G. H. Brusewitz. 1997. Nondestructive Acoustic and 
Compression Measurements of Watermelon for Internal Damage Detection. Sensors for 
Nondestructive Testing. 
2. De Belie, N., S. Schotte, J. Lammertyn, B. Nicolai, and J. De Baerdemaeker. 2000. 
Firmness Changes of Pear Fruit before and after Harvest with the Acoustic Impulse 
Response Technique. Journal of Agricultural Engineer Research 11, no. 2: 183-91. 
3. Farabee, Mark L., and Marvin L Stone. 1991. Determination of Watermelon Maturity with 
Sonic Impulse Testing. 
4. Stone M.L., Armstrong P.R., Zhang X., Brusewitz G.H., and Chen D.D. 1996. Watermelon 
Maturity Determination in the Field Using Acoustic Impulse Impedance Techniques. 
Transactions oftheASAE 39(6): 2325-30. 


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