幾種氣體聲馳豫吸收譜的構建

凌云+王曉麗

摘 要：利用聲波在不同氣體中產生不同的聲弛豫吸收譜特性，去檢測未知氣體的成分和濃度是目前氣體聲感知研究領域的熱點之一。為了可以更好的實現聲學氣體探測，需要構建豐富的氣體聲弛豫吸收譜線。本文利用氣體聲弛豫譜構建方法對空氣以及幾種含碳氣體的弛豫譜線進行了構建，為未知氣體檢測奠定基礎。

1 氣體聲弛豫吸收譜的構建方法

聲在氣體中傳播會引起聲吸收以及聲速的擴散，氣體中的聲傳播特征可以通過復波數進行描述，復波數由兩部分組成，包括隨聲波頻率變化的聲速和弛豫吸收，表示為：

假設混合氣體含有n種氣體成分，為第j種氣體的定容比熱，為該氣體的濃度體積比，為該氣體第k種振動能級的振動定容比熱，為該氣體第k種振動能級的復合弛豫時間，和分別表示該氣體平動熱容和轉動熱容，氣體總的定容比熱為：

為了構建氣體聲弛豫吸收譜，還需要利用有效定容比熱和復波數的關系式：

式（3）中，和分別表示氣體處于平衡狀態時的密度和壓強，為普適摩爾氣體常量。將式（1）和式（2）代入式（3）就可以得到氣體的聲弛豫吸收系數隨聲波頻率f的變化曲線，即氣體聲弛豫吸收譜。

2 空氣的聲弛豫吸收譜的構建

以空氣為背景的混合氣體接近實際情況，因此本文主要對空氣及其含碳氣體（包括CO2、CO和CH4）的聲弛豫吸收譜的構建進行了詳細的研究。利用氣體聲弛豫譜重建方法構建空氣的聲弛豫吸收譜線，這里空氣的成分比例為。得到不同溫度下空氣聲弛豫吸收譜如圖1所以。從圖中可以看出溫度對空氣聲弛豫吸收譜的影響較小。

3 空氣+CH4的聲弛豫吸收譜的構建

CH4與空氣中的N2、O2、H2O和CO2之間都會發生振動弛豫，是一種非常活躍的氣體分子。利用氣體聲弛豫譜重建方法構建空氣與不同濃度的CH4的聲弛豫吸收譜線，結果如圖2所示。

4 空氣+CO的聲弛豫吸收譜的構建

CO與N2在物理學角度具有相似性，利用氣體聲弛豫譜重建方法構建空氣與不同濃度的CO的聲弛豫吸收譜線，結果如圖3所示。

5 空氣+CO2的聲弛豫吸收譜的構建

空氣+CO2的聲弛豫過程與空氣本身的聲弛豫過程非常相似，因為沒有新的成分加入，只是CO2的成分比例相對空氣本身的有增加，利用氣體聲弛豫譜重建方法構建空氣與不同濃度的CO2的聲弛豫吸收譜線，結果如圖4所示。

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