混合氣體濃度檢測的弛豫聲學方法研究.pdf

1、在現(xiàn)代社會生活和工業(yè)生產(chǎn)中，氣體濃度檢測有著廣泛的需求和應用前景，實時檢測混合氣體中多種成分的濃度更是被人們廣泛研究。傳統(tǒng)又年輕的弛豫聲學方法混合氣體濃度檢測，以成本較低、壽命較長、功耗較小、響應速度較快、測量濃度范圍不受限、能同時檢測出具有不同特性的多種氣體濃度等優(yōu)點，正在被學者們大力研究。 混合氣體濃度檢測的弛豫聲學方法是，利用聲速、聲衰減等聲學參量隨氣體成分濃度的改變而變化的特性，尋找和建立聲速、聲衰減、聲頻率、氣體成分濃

2、度之間關(guān)系的模型，研究如何利用聲速、聲衰減系數(shù)、有效弛豫頻率等具體聲學參數(shù)與氣體濃度之間的模型檢測混合氣體成分濃度的理論和技術(shù)，屬于數(shù)學、物理學、電子學、信號處理等學科的交叉前沿成果。 本論文根據(jù)弛豫聲學方法混合氣體濃度檢測的特點，對經(jīng)典聲速理論、經(jīng)典聲衰減理論、弛豫聲衰減理論、分子碰撞能量轉(zhuǎn)移理論等眾多氣體聲學理論進行研究、擴展和創(chuàng)新，分析并解決了弛豫聲學方法檢測三種成分、四種成分混合氣體濃度的關(guān)鍵技術(shù)。 本論文所開展

3、的研究工作主要有以下內(nèi)容： 1．在分子碰撞能量轉(zhuǎn)移模型和有效弛豫頻率算法方面，本論文證明了有效弛豫頻率作為第三個氣體聲學參數(shù)的合理性；通過在氣體分子碰撞能量轉(zhuǎn)移概率的計算中忽略近似共振振動模式，重新界定了參與分子碰撞能量轉(zhuǎn)移模型的氣體分子振動頻率；推導了四種成分混合氣體有效弛豫頻率的弛豫矩陣算法，從弛豫理論上統(tǒng)一了弛豫矩陣算法和最大聲衰減系數(shù)算法的結(jié)果，使得有效弛豫頻率用于弛豫聲學方法檢測混合氣體濃度成為可能。 2．在四

4、種成分混合氣體濃度的弛豫聲學檢測算法方面，本論文首次將有效弛豫頻率引入弛豫聲學方法檢測混合氣體濃度，結(jié)合弛豫衰減系數(shù)和聲速，完成了用三種參數(shù)檢測四種成分混合氣體濃度的弛豫聲學算法，同時驗證了該算法的精確度，以及不同濃度時該算法對聲頻率偏移的線性性和健壯性，證明了該算法存在通過多次測量的平均值減少實驗誤差的可能性，使該算法在實際中可行。 3．在三種成分混合氣體濃度的弛豫聲學檢測算法方面，本論文確定了聲速和經(jīng)典聲衰減理論在聲學方法混

5、合氣體濃度檢測中的相關(guān)性，并將經(jīng)典聲衰減從聲衰減模型中去掉，分析了弛豫衰減系數(shù)和聲速與混合氣體各成分濃度和聲頻率之間的依賴關(guān)系，分別建立了弛豫衰減系數(shù)與聲頻率的二維模型，以及弛豫衰減系數(shù)和聲速與氣體濃度的三維模型，完成了通過測量弛豫聲衰減系數(shù)和聲速計算三種成份混合氣體濃度的算法；通過分析氣體分子碰撞能量轉(zhuǎn)移理論，找到了微弱濃度時弛豫衰減系數(shù)與混合氣體濃度的三維曲面變?yōu)槠閸绮黄降脑?，利用信號處理中的濾波思想，使用平滑窗處理弛豫聲衰減結(jié)果

6、，將三種成分混合氣體濃度檢測算法擴展到了微弱氣體濃度檢測，檢測濃度達到0.001％；通過仿真實驗還發(fā)現(xiàn)了三種成分混合氣體濃度弛豫聲學檢測算法的最佳適用聲頻率范圍——小于有效弛豫頻率的一個10 倍頻程，以及該算法具有的線性聲頻率偏移特性，同樣證明了該算法存在通過多次測量的平均值減少實驗誤差的可能性，使該算法在實際中可行。 4．在弛豫聲衰減理論方面，本論文闡述了氣體弛豫聲學的基礎定義和理論，闡明了氣體弛豫聲衰減源于氣體分子碰撞能量轉(zhuǎn)

7、移的關(guān)系，討論了現(xiàn)有氣體分子碰撞和能量轉(zhuǎn)移模型，并詳細推導和求解了現(xiàn)有弛豫聲衰減理論，利用其他研究者的理論計算結(jié)果和實驗測量數(shù)據(jù)驗證了本論文建立的弛豫聲衰減模型的正確性。 5．在氣體聲學實驗裝置方面，本論文總結(jié)和借鑒了國外眾多現(xiàn)有氣體聲學實驗裝置的結(jié)構(gòu)優(yōu)點和實現(xiàn)方法，設計并制作了一個氣體聲學實驗裝置原型，目前該實驗裝置原型正在最后完成中，其設計思想和實現(xiàn)方法都具有一定的參考價值。 本論文的研究成果既是對氣體弛豫聲衰減理論