几种气体声驰豫吸收谱的构建

凌云+王晓丽

摘 要：利用声波在不同气体中产生不同的声弛豫吸收谱特性，去检测未知气体的成分和浓度是目前气体声感知研究领域的热点之一。为了可以更好的实现声学气体探测，需要构建丰富的气体声弛豫吸收谱线。本文利用气体声弛豫谱构建方法对空气以及几种含碳气体的弛豫谱线进行了构建，为未知气体检测奠定基础。

1 气体声弛豫吸收谱的构建方法

声在气体中传播会引起声吸收以及声速的扩散，气体中的声传播特征可以通过复波数进行描述，复波数由两部分组成，包括随声波频率变化的声速和弛豫吸收，表示为：

假设混合气体含有n种气体成分，为第j种气體的定容比热，为该气体的浓度体积比，为该气体第k种振动能级的振动定容比热，为该气体第k种振动能级的复合弛豫时间，和分别表示该气体平动热容和转动热容，气体总的定容比热为：

为了构建气体声弛豫吸收谱，还需要利用有效定容比热和复波数的关系式：

式（3）中，和分别表示气体处于平衡状态时的密度和压强，为普适摩尔气体常量。将式（1）和式（2）代入式（3）就可以得到气体的声弛豫吸收系数随声波频率f的变化曲线，即气体声弛豫吸收谱。

2 空气的声弛豫吸收谱的构建

以空气为背景的混合气体接近实际情况，因此本文主要对空气及其含碳气体（包括CO2、CO和CH4）的声弛豫吸收谱的构建进行了详细的研究。利用气体声弛豫谱重建方法构建空气的声弛豫吸收谱线，这里空气的成分比例为。得到不同温度下空气声弛豫吸收谱如图1所以。从图中可以看出温度对空气声弛豫吸收谱的影响较小。

3 空气+CH4的声弛豫吸收谱的构建

CH4与空气中的N2、O2、H2O和CO2之间都会发生振动弛豫，是一种非常活跃的气体分子。利用气体声弛豫谱重建方法构建空气与不同浓度的CH4的声弛豫吸收谱线，结果如图2所示。

4 空气+CO的声弛豫吸收谱的构建

CO与N2在物理学角度具有相似性，利用气体声弛豫谱重建方法构建空气与不同浓度的CO的声弛豫吸收谱线，结果如图3所示。

5 空气+CO2的声弛豫吸收谱的构建

空气+CO2的声弛豫过程与空气本身的声弛豫过程非常相似，因为没有新的成分加入，只是CO2的成分比例相对空气本身的有增加，利用气体声弛豫谱重建方法构建空气与不同浓度的CO2的声弛豫吸收谱线，结果如图4所示。

参考文献

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