共振光声光谱系统中椭球形光声池的理论分析

实时在线气体检测在石油化工、现代工业、环境、医学诊断、智能电网中变压器在线监测等领域具有非常重要的意义。光声光谱气体检测技术是一种基于光声效应的气体检测技术,由于其具有检测灵敏度高、选择性强、分辨率高、检测范围宽、可实时在线监测等优点,已被广泛用于痕量气体检测。在光声光谱系统中,光声池是最重要的组成部分,其性能的好坏对于系统检测灵敏度和分辨率有着直接的影响。近些年来,光声光谱气体检测系统主要采用标准圆柱形共振光声池,系统的检测灵敏度和分辨率主要由微音器决定。为了进一步提高光声光谱法对于痕量气体检测的灵敏度和分辨率,对光声池进行深入研究分析,提出一种高灵敏度的椭球形共振光声池。结合气体热动力学和声学理论,利用COMSOL软件中的热声学模块分别对椭球形光声池和传统的圆柱形光声池进行了有限元方法分析,建立了其声学特征模型,并且对光声池的共振频率,光声池谐振腔内的声压分布情况以及声压级大小等声学特性进行了仿真研究。模拟了椭球形光声池的共振频率和声压信号大小与光声池谐振腔长度和中心半径之间的关系,从而优化了光声池的尺寸结构,选取了长度为100 mm,中心半径为5 mm的椭球形光声池最优结构,与相同外部尺寸下的传统圆柱形光声池进行了对比分析。结果表明,椭球形光声池的共振频率为1 340 Hz,处于共振状态时产生的声压信号达到了5.01×10~(-5) Pa,声压级为11 dB,品质因数为70;圆柱形光声池共振频率为1 650 Hz,共振状态下产生的声压信号大小为5.7×10~(-6)Pa,声压级为-13.9 dB,品质因数为66。对比可知,椭球形光声池的共振频率明显小于圆柱形光声池,且最大声压信号是同尺寸圆柱形共振光声池的8.78倍,声压级提高了24.9 dB。由此可知,设计的椭球形共振光声池体积小,声压信号大,检测灵敏度高,光声池的性能有了明显提升,对于光声光谱法用于微痕量气体检测的灵敏度提高有着重要意义。     

基于正交试验的光声池气流性能模拟及参数优化

基于光声光谱原理的气体浓度检测是光声技术最典型的应用。与其他光谱气体检测方法相比,光声气体检测技术主要具有结构简单、探测器不受波长限制、零背景噪声、成本低等优点。它在气体检测领域得到了广泛的认可和应用。作为光声光谱气体检测系统的核心部件,光声池的性能将直接影响系统的检测结果。因此,光声池的优化设计已成为该领域的研究热点。当前,针对光声池的优化主要是基于系统静态条件,关于光声池腔内气体流动性能及动态时间响应的研究报道较少。由于光声池在动态检测条件下的气体扰动及系统检测噪声具有一定影响,因而对于光声池的相关参数进行进一步的探索与优化,改善光声池腔内气体流场分布、动压特性及其气体浓度平衡时间对于提升光声光谱的气体检测性能具有重要意义。为此,以传统的圆柱形光声池为基础,基于三维流场数值模拟方法建立了光声池腔内流场的稳态和瞬态模拟模型,计算获得了光声池腔内气体流场分布及其气体浓度平衡响应规律,结果表明,减少光声池腔内气流流速及优化光声池中的过渡结构将会改善气流引发的动压波动以及缩短腔内气体浓度调节时间。以光声池的缓冲腔与谐振腔过渡处圆角、辅助孔数量、辅助孔半径、辅助孔中心圆半径以及进气速度5个参...     

光声光谱检测系统中光声池模型的建立与优化

光声池作为光声光谱气体检测系统中的核心器件直接影响系统的检测精度,以经典圆柱形光声池为基础研究对象,利用有限元分析软件,结合压力声学及热粘性声学两种物理场对光声池内的声热耦合过程进行建模,通过仿真对比谐振腔和缓冲腔的几何参数变化对光声池性能的影响,进而确定其最优尺寸。仿真结果表明:谐振腔、缓冲腔的长度和半径均会影响谐振频率和声压。充分考虑对比结果及工业制造难度后,选定谐振腔最佳长度为120 mm,最优半径为3 mm,缓冲腔半径为35 mm。在此基础上,设计了一种谐振腔与缓冲腔为圆角连接的光声池,与同尺寸直角光声池相比,圆角光声池在提高光声信号和降低流动噪声干扰方面更具优势,品质因数提高至1.109倍,池常数增大到3 635.1 Pa·cm/W,声压提高到1.26×10~(-5)Pa。在甲烷气体的浓度检测中,系统灵敏度可达到0.87 ppm,检测结果较理想,符合高灵敏度的要求。因此,圆角连接光声池在性能上有明显提升,可为光声池的优化设计提供参考。     

固体FTIR光声光谱的共振增强

我们在FTIR光声光谱测量工作中首次观察到由光声池频率响应特性造成的光声信号共振增强现象.研究表明,这种效应起源于样品腔中气体传声器对声压信号的响应不平坦.文中讨论了利用此效应提高光声检测灵敏度和信噪比的可能性,并且给出了一个利用共振增强方法研究导电聚合物PTh样品中SP_3结构缺陷的实例.     

光声池几何形状对光声光谱检测性能的影响

随着现代化工业的高速发展,痕量气体检测技术的重要性不言而喻,目前痕量气体检测技术已广泛应用于环保、化学工业、生物生态以及医学检测等各个领域,光声光谱技术由于它具有零背景检测、探测器不受波长限制、光学元件简单,系统调节及维护方便等优点,现已成为光谱学领域中非常重要的检测手段,近些年来,随着微弱信号检测与激光器技术的快速发展,光声光谱技术也得到更多学者的关注与研究,所取得的成果为光声光谱检测性能的提升提供了重要的设计参考,然而,当前文献报道较少地涉及到光声池的优化工作,尤其是对光声池的形状构造等问题鲜有深入探索。光声光谱检测系统中最核心的部件之一即为光声池,它是承载待测气体的容腔以及产生光声耦合作用的场所,其形状构型在很大程度影响着光-声之间的耦合状况,以致于影响整机系统的信噪比与灵敏性,因而探索设计光声池的形状具有重要的理论研究意义及工程应用价值。为此,基于传统圆柱形光声池的设计基础,探索研究了纵向截面为圆形、正三角形、椭圆等8种典型形状的光声池结构模型,并对其声场特性进行了仿真分析,借助3D打印技术制作了各类光声池实物,通过实验对比分析了8种光声池的性能指标,在限定光声池纵向长度及纵向截面周长相等的条件下,仿真结果表明, 8种形状各异的光声池工作纵向声学模态振型均相同,实验结果表明, 8种光声池的工作声学共振频率值基本相同,受其激光光源与腔内声学模态耦合的影响,其品质因素从大到小依次为:圆形、短轴椭圆、正五边形、正方形、大圆轴线形、正三角形、小圆轴线形、长轴椭圆,池常数从大到小依次为:圆形、长轴椭圆、正五边形、正方形、大圆轴线形、小圆轴线形、正三角形、短轴椭圆,整体结果显示,对于光声光谱光声池的设计,在没有特殊要求的情况下,光声池应优先为圆形形状,研究过程与结果为光声光谱中光声池的设计与优化探索提供了借鉴与参考。     

相对湿度对光声信号的影响研究

共振型光声光谱系统容易受到外界环境的影响,其中相对湿度对光声信号的影响会直接降低光声光谱技术在进行痕量气体检测或气溶胶光吸收系数测量时的准确性。利用自制的U形光声池,搭建了一套相对湿度可精确调节的光声光谱测量系统,通过测量不同相对湿度下光声系统的性能参数,分析了相对湿度对光声信号的影响,获得了不同相对湿度下光声信号的修正参数。利用该参数,测量了7172.699cm-1波长处水分子的吸收,并定量分析了相对湿度的影响。该研究结果为光声光谱技术在不同相对湿度环境条件下的应用提供了重要参考。     

新型高性能激光光声光谱球形光声池：理论和实验研究

从理论上讨论了球形光声池共振模式的声学特征，计算表明，与常用的圆柱形光声池比较，球形光声池具有更高的Ｑ值；利用球形光声池和钛宝石激光器的光声光谱仪，从实验上测量了球形光声池的共振模式，与理论计算结果一致；该球形光声池的声学Ｑ值达到５９０，明显高于圆柱形池的结果；利用该装置成功地记录了Ｃ２Ｈ２ １２７５０ｃｍ＾－１附近的一段弱谱带，与本实验室高灵敏的激光腔内吸收光谱仪（ＩＣＬＡＳ）得到的结果相比，具     

光声光谱检测装置中光声池的数值计算及优化

利用光声光谱技术进行痕量气体的检测具有独特的优势,光声池是系统装置中最为重要的核心部件,它决定着整机性能的优劣.以一圆柱形共振型光声池为研究对象,基于声学与吸收光谱学的基本理论,建立了光声池声场激发的数学模型;利用数值模拟方法对光声池空腔结构进行了声学模态仿真,获得了前8阶声学模态值以及声压可视化振型;在考虑热黏性声学损耗的作用下,对光声池进行了热-声耦合多物理场仿真计算;将仿真结果与解析计算和实验结果进行对比,明确了利用数值模拟方法来计算光声池有关指标的可靠性与可行性;针对光声池的优化问题,提出了一种将响应面代理模型与遗传算法相结合的优化算法,在将原光声池中的谐振腔两端形貌更改为喇叭口形的情况下,通过优化算法获得了以光声池品质因数Q及池常数C_(cell)为最大值寻优的Pareto最优解集;选取一组解进行考察,结果表明,代理模型预测值与数值模拟值指标最大误差仅为1.3%,优化后的新型光声池Q较之前增长了48.9%, C_(cell)增长了34.4%.研究方法可为光声光谱中光声池的优化设计提供参考借鉴.     

光声池径向共振模式耦合系数理论分析

光声光谱法是基于红外吸收光谱原理的一种高灵敏度的微量气体探测技术。它使用声共振腔来实现微弱声信号的共振放大。通过调节激光的调制频率,当它等于腔的某个共振频率时,在腔内形成声驻波,而腔本身的作用相当于一声放大器。共振腔的放大作用取决于当前被激活的共振模式、腔的品质因素、声传感器的状态以及电磁辐射与腔共振模式的耦合作用。值得关注的是,红外激光相对于声共振腔的入射方位不同则激励产生的光声信号幅值也不同。采用理论推导与数值计算相结合的方法,以圆柱形光声池为例,研究了径向共振模式下耦合系数受激光入射方位的影响。研究表明,激光入射角在0～π/2范围变化时耦合系数存在2个零点和2个极大值：入射角为0或tan-1(0.859 2×2R/L)时,耦合系数为零而径向共振失效;入射角为tan-1(0.556 8×2R/L)或tan-1(2R/L)时,耦合系数极大而径向共振最强。此处R为池径而L为池长。结果可用于指导光声池结构优化设计与安装调试,增强光声法检测微量气体的信号幅值,提高检测灵敏度。     

基于共振型高灵敏度光声光谱技术探测痕量乙炔气体浓度

乙炔气体作为判断变压器运行状态的一种故障气体,其浓度的高低反映了变压器的运行状况,因此对其浓度的探测在变压器的维护中具有重要意义。为了准确探测变压器运行过程中产生的乙炔气体浓度,为变压器的维护提供技术参数,针对基于DFB激光器的共振型光声光谱技术痕量乙炔气体检测技术开展研究,对传统的光声光谱探测系统进行改进。根据光声光谱技术的理论可知,光声信号的强度与入射激光的功率成正比,所以在光声池的出射窗口采用一个平面反射镜将红外光再次反射到光声池中以增加入射光功率,增强光声信号强度,进一步提高了光声系统的探测灵敏度。通过一定浓度的乙炔气体在不同调制频率和不同调制深度下光声信号强度的变化,确定光声探测系统的最佳调制频率和最佳调制深度为767 Hz和0.3 mV。利用不同浓度乙炔气体对系统进行标定,然后采用最小二乘法对光声信号与气体浓度进行拟合,二者具有很好的线性度。通过Allan方差计算可知,系统在平均时间达到200 s时,能够达到最低探测极限浓度。实验表明,在一个大气压下,积分时间为10 ms时,改进后的共振型光声光谱探测系统对乙炔气体的最低探测极限浓度达到了0.3 μL·L-1。还将小波去噪技术引入到低浓度下乙炔气体的光声信号处理中,有效消除了低浓度气体光声信号中的噪声,提高了信噪比。设计的共振型光声光谱探测系统操作简单,最低探测浓度符合国标中对变压器维护过程中对乙炔气体的探测需求,在变压器维护领域具有广阔的应用前景。     

圆柱形光声池结构及环境因素对声学本征频率的影响

以典型的圆柱形光声池为研究对象,建立光声池声学仿真有限元模型,并在此基础上,研究了光声池中谐振腔、缓冲腔、进出气孔结构参数以及温度、湿度因素对其声学本征频率的影响规律.研究结果表明:圆柱形光声池的进、出口孔对其声学本征频率影响极不敏感,设计计算中可以忽略不计,谐振腔的长度影响最为敏感,其次为谐振腔的直径.此外缓冲腔的长度与直径对其亦有一定影响,因而在准确计算时需要加以考虑.温度与湿度对光声池声学本征频率的影响均呈现正线性增长规律,温度的影响随着谐振腔长度的增大而减小,湿度的影响随着温度的升高而增大,仅计算光声池的声学本征频率时,湿度的影响在室温环境下且湿度变动较小的条件下可以忽略.     

Helmholtz水声换能器弹性壁液腔谐振频率研究

针对传统Helmholtz水声换能器设计中刚性壁假设的局限性,将Helmholtz腔体的弹性计入到液腔谐振频率计算中,实现低频弹性Helmholtz水声换能器液腔谐振频率精确设计.基于细长圆柱壳腔体的低频集中参数模型,导出了腔体弹性引入的附加声阻抗表达式,得到了弹性壁条件下Helmholtz水声换能器等效电路图,给出了考虑了末端修正的弹性壁Helmholtz共振腔液腔谐振频率计算公式.利用ANSYS软件建立了算例模型,仿真分析了不同材质、半径、长度时的Helmholtz共振腔液腔谐振频率.结果对比表明弹性理论值与仿真值符合得很好,相比起传统的刚性壁理论计算结果,本文的弹性壁理论得出的液腔谐振频率值有所降低,与真实情况更加接近.本文的结论可以为精确设计低频弹性Helmholtz水声换能器提供理论支持.     

谐振腔反射器的模式匹配分析

 利用模式匹配方法对“冷”谐振腔反射器的反射特性进行了理论分析，推导出了谐振腔反射器的广义散射矩阵。对应用于X波段低磁场返波管的谐振腔反射器的反射特性进行了研究，并利用数值模拟软件分析了在全反射条件下谐振腔反射器中的电场分布。结果表明:当反射器的内外半径的选取合适时，反射器可以在较短的长度时获得较大的反射，而且反射系数对反射器长度的变化不敏感。     

声悬浮过程的格子Boltzmann方法研究

采用轴对称多弛豫时间格子Boltzmann(LB)方法,研究了圆柱形封闭谐振腔中圆盘形样品的声悬浮过程.模拟结果表明,(001)模式下谐振腔的共振长度L=0.499λ,在谐振腔中心引入样品后共振漂移量δL≈-0.9,这与线性声学理论计算结果基本相符.声悬浮力的LB模拟过程包含了黏滞性效应和共振漂移效应,所获得的模拟结果与理论公式计算值在量值上一致,而且其在细节上更符合实验现象.此外,LB模拟还揭示出了声悬浮过程中的声压波形畸变、声流和声辐射压等非线性声学效应.     

Optimization of the Acoustic Pressure Distribution in a Resonant Photoacoustic Cell

1　Ｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎ　　Ｔｈｅｐｈｏｔｏａｃｏｕｓｔｉｃｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ,ｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｄｉｒｅｃｔｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｏｆｔｈｅｈｅａｔｇｅｎｅｒａｔｅｄｉｎｎｏｎｒａｄｉａｔｉｖｅｒｅｌａｘａｔｉｏｎ ｐｒｏｃｅｓｓｅｓ ,ｉｓａｍｅｔｈｏｄｏｆａｂｓｏｌｕｔｅｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ.Ｉｎｔｈｅｃａｓｅｏｆｗｅａｋａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ ,ｐｈｏｔｏａｃｏｕｓｔｉｃｓｉｇｎａｌｓａｒｅｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎａｌｔｏｔｈｅｌｉｇｈｔａｂｓｏｒｂｅｄｂｙｓａｍｐｌｅｓａｎｄｈｅｎｃｅｔｏ…     

Optimization of the Acoustic Pressure Distribution in a Resonant Photoacoustic Cell

The size of a cylindrical photoacoustic cell with suitable size was selected so that the resonant frequency of the first radial mode was equal to that of a longitudinal higher mode. By maintaining two thin coaxial tubes at each end, a enhanced photoacoustic cell was constructed with two tubes of 1/2 and 1/4 of the wavelength. In this enhanced photoacoustie cell, both the first radial resonance and the higher longitudinal resonance were excited adequately. Coupling of two acoustic modes makes the acoustic energy concentrating in the middle of the cell. The surface loss was decreased, the acoustic quality factor and pressure amplitude increased obviously as compared with conventional cylindrical cell.     

Design, simulation and structural optimization of a longitudinal acoustic resonator for trace gas detection using laser photoacoustic spectroscopy (LPAS)

The design of the acoustic resonator is critical for the optimization of the sensitivity of laser photoacoustic spectroscopy (LPAS) in trace gas detection applications. In this paper, an LC circuit model is used for the simulation of a 1D acoustic resonator. This acoustic resonator is designed for CO photoacoustic spectroscopy. The effects of the structural parameters, quality factor and resonant frequency on the performance of the device are theoretically analyzed. The role of the buffer volume as an acoustic filter is investigated and optimized dimensions of the buffer volume, to achieve minimum noise transmission coefficient, are calculated. The effects of the ambient temperature, variety of pressure and gas flow velocity on the resonant frequency of photoacoustic resonator and PA signal are simulated. The temperature dependence of the microphone sensitivity is also introduced.     

Experimental studies on perturbed acoustic resonant spectroscopy by a small rock sample in a cylindrical cavity

A measurement system for acoustic resonant spectroscopy (ARS) is established, and the effects of resonant cavity geometry, inner perturbation samples and environmental temperature on the ARS are investigated. The ARSs of the small samples with various sizes and acoustic properties are measured. The results show that at the normal pressure, the resonant frequency decreases gradually with the increase of liquid temperature in the cylindrical cavity, while the resonant amplitude increases. At certain pressure and temperature, both the resonant frequency and the amplitude decrease greatly when there exist air bubbles inside the cavity fluid. The ARS is apparently affected by the sample porosity and the sample location in the resonant cavity. At the middle of the cavity, the resonant frequencies reach their maximum values for all of the measurement samples. The resonant frequencies of the porous rock samples are smaller than those of the compacted samples if other acoustic parameters are the same. As the sample is moved from the top to the middle of the cavity along its axis, the resonant amplitude increases gradually for the compacted rocks while decreases for the unconsolidated rocks. Furthermore, the resonant amplitude increases firstly and then decreases if the porosity of the rock sample is relatively small. In addition, through the comparisons between the experimental and theoretical results, it is found that the effects of the acoustic parameters and sizes of the samples and the size of the cylindrical cavity on the laboratory results agree well with the theoretical ones qualitatively. These results may provide basic reference for the experiment study of rock acoustic properties in a low frequency using ARS.