幾種氣體聲馳豫吸收譜的構(gòu)建

凌云+王曉麗

摘 要：利用聲波在不同氣體中產(chǎn)生不同的聲弛豫吸收譜特性，去檢測(cè)未知?dú)怏w的成分和濃度是目前氣體聲感知研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)之一。為了可以更好的實(shí)現(xiàn)聲學(xué)氣體探測(cè)，需要構(gòu)建豐富的氣體聲弛豫吸收譜線。本文利用氣體聲弛豫譜構(gòu)建方法對(duì)空氣以及幾種含碳?xì)怏w的弛豫譜線進(jìn)行了構(gòu)建，為未知?dú)怏w檢測(cè)奠定基礎(chǔ)。

1 氣體聲弛豫吸收譜的構(gòu)建方法

聲在氣體中傳播會(huì)引起聲吸收以及聲速的擴(kuò)散，氣體中的聲傳播特征可以通過(guò)復(fù)波數(shù)進(jìn)行描述，復(fù)波數(shù)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(shè)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(dòng)能級(jí)的振動(dòng)定容比熱，為該氣體第k種振動(dòng)能級(jí)的復(fù)合弛豫時(shí)間，和分別表示該氣體平動(dòng)熱容和轉(zhuǎn)動(dòng)熱容，氣體總的定容比熱為：

為了構(gòu)建氣體聲弛豫吸收譜，還需要利用有效定容比熱和復(fù)波數(shù)的關(guān)系式：

式（3）中，和分別表示氣體處于平衡狀態(tài)時(shí)的密度和壓強(qiáng)，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(shù)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(gòu)建

以空氣為背景的混合氣體接近實(shí)際情況，因此本文主要對(duì)空氣及其含碳?xì)怏w（包括CO2、CO和CH4）的聲弛豫吸收譜的構(gòu)建進(jìn)行了詳細(xì)的研究。利用氣體聲弛豫譜重建方法構(gòu)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(duì)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(gòu)建

CH4與空氣中的N2、O2、H2O和CO2之間都會(huì)發(fā)生振動(dòng)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(gòu)建空氣與不同濃度的CH4的聲弛豫吸收譜線，結(jié)果如圖2所示。

4 空氣+CO的聲弛豫吸收譜的構(gòu)建

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

5 空氣+CO2的聲弛豫吸收譜的構(gòu)建

空氣+CO2的聲弛豫過(guò)程與空氣本身的聲弛豫過(guò)程非常相似，因?yàn)闆](méi)有新的成分加入，只是CO2的成分比例相對(duì)空氣本身的有增加，利用氣體聲弛豫譜重建方法構(gòu)建空氣與不同濃度的CO2的聲弛豫吸收譜線，結(jié)果如圖4所示。

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