(一)超聲波檢測原理
在各種各樣的無損快速檢測技術中，超聲波檢測技術是一條可行和有效的途徑之一。工業中應用的超聲波技術可分為兩種類型。一是利用高能量超聲波破壞處理對象的結構和組織，如清洗設備和管道、破壞生物細胞、化學反應的乳化等操作，這類技術所利用的超聲波特征是頻率較低(不超過100kHz)、能量較高和其操作過程大多連續；另一類技術是利用低能量超聲波對處理對象進行無損檢測(NDT)，其特點是頻率較高(介於0.1～0.2MHz)、能量較低和大多采用脈衝式操作。後一類技術因為能量低，所以聲波通過時不會根本改變介質的物理或化學性質。
超聲波檢測技術是利用高頻聲波與物質之間的相互作用，測得被測物質內部物理化學性質的一種技術。這種技術目前已用於醫學、海洋學、材料工業和化工操作過程中生物和非生物物質的檢測和研究，但如何應用到食品與農產品的無損檢測及分級中去，還是一個較新課題。根據超聲波檢測的原理以及在其他方麵應用的實績，這種運用應該是可行的。尤其在光學不透明體係中(絕大部分食品與農產品體係都具有該性質)有著廣泛的應用前景。
超聲波通過介質時大致表現為三種形式：壓縮波、表麵波和切變波。在NDT應用中，壓縮波是最常用的超聲波形式，其他兩種形式的超聲波使用得比較少。這是因為壓縮波在介質中的傳遞是通過介質的壓縮和膨脹進行的，介質質點在聲波作用下以原始位置為原點所發生的振蕩仍服從虎克定律，換言之，介質的結構在聲波傳遞過程中未發生任何根本性的破壞。
超聲波檢測技術最為常用的兩個測量參數是通過介質的聲速和振幅衰減。超聲波檢測技術也分為連續式和脈衝式，前者操作較複雜，儀器和技術要求較高，測量精度也相應高，主要使用在一些專門的研究領域。工業上比較實用的是脈衝式，其優點是操作簡單、快速，易於實現自動化。
1.超聲波的聲速檢測技術
當一個平麵波通過介質時，超聲波性質與介質的物理性質可用一個簡單的數學式關聯：
(k/ω)2=ρE
式中k——介質的複合波數,cm-1
ω——角頻率，ω=2πf，f是聲波頻率，Hz
E——介質的彈性模量,MPa
ρ——介質密度，kgm3
聲學均勻體係(大多數食品與農產品體係如水、分子溶液或油脂類屬於這類體係)的衰減很小，介質的物理性質E和ρ基本上與聲波頻率無關，動態和靜態測定的數值相差很小。因此，令C=ω/k，上式簡化為：
C2=E/ρ
所以隻要測出介質的聲速，即可檢測介質的物理性質。對固態介質，其彈性模量可表達為：
E=K+4/3×G
式中K——體積彈性模量，MPa
G——剛性模量，MPa
對液態介質，由於不具有剛性或剛性很小(如凝膠)：
C2=Kρ
即聲速隻取決於介質的體積彈性模量和密度。在ρ已知的情況下，通過聲速的測定就可直接反映出介質的內部結構。
在超聲波技術中，常使用絕熱壓縮率β表述介質的彈性和結構特點。事實上，K=1/β，即：C2＝(ρβ)-1，由於不同介質(或介質在發生物理或化學反應前後)的組織結構不同，其絕熱壓縮率β亦不同，因而其物理性質和超聲波性質均有所區別，所以通過檢測超聲波性質的區別和變化，可定性或定量檢測介質的物理性質甚至是分子水平上的變化。
從信號發生器產生一個具有一定頻率和振幅的脈衝電子波，在傳至發送探頭的同時，也傳至時間計數器記錄開始時間T1；脈衝電子波在發送探頭被轉化成相應頻率的超聲機械波通過樣品壓縮傳遞，被接收探頭接收並再次轉化成電子波，然後送至時間計數器記錄停止時間T2；則ΔT=T2-T1即為超聲波通過樣品的時間。而樣品的距離d可利用已知聲速的物質準確測知，所以聲速即可求出。
在兩相的界麵處，聲波可能透過或反射，所以在測量中往往隻使用一個探頭(既作為發送，也作為接收使用)，此時測到的是聲波到達某一選定界麵後再反射折回探頭的時間，即C=2dΔT。因為探頭位置的移動操作是十分簡便的，所以這種技術的操作費用極低，而且非常適於在線檢測。
2.超聲波的衰減檢測技術
當聲波通過介質時，其振幅會出現減小，幾乎所有物質均不同程度地會使超聲波產生這種衰減。這種聲波衰減主要是由於傳遞過程中聲波能量發生吸收和散射。吸收的機理可能是聲能在傳遞過程中被轉化成了其他形式的能量。而散射則是當聲波入射到一個介質的不連續處(如分散粒子的表麵或其他兩相界麵)時，它會被散射而偏移入射波方向。在散射過程中超聲波的能量形式並不發生改變，但由於被散射到其他方向以及相位發生了變化，所以接收器難以檢測到這些能量。通常超聲波在液態介質中的吸收表現為3種基本形式：熱傳導、黏滯耗散和分子弛豫。這些形式均反映了介質分子水平的性質及其相互作用，所以可以從衰減的程度對這些性質進行研究。在不均勻體係中散射是一個十分重要的超聲波現象，體係的微結構以及許多物理性質均對超聲波散射有著特定的影響。食品與農產品的許多體係均不同程度地存在散射，通過檢測吸收和散射可以探知這些體係的性質和內部結構。