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。     

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。     

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     

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...     

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.     

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.     

阶梯复合形光声池声-流特性计算与评估

为了提高光声池的检测性能,提出并分析了一种阶梯复合形光声池。以传统圆柱共振型光声池为基准模型,通过对比解析与模拟计算结果,验证了所采用模拟方法的可靠性,基于模拟方法求解并获得了阶梯腔半径、阶梯腔长度和阶梯腔数量对阶梯复合形光声池声-流特性的影响规律。结果表明:减小阶梯复合形光声池中阶梯腔半径,光声信号相对增强,阶梯腔长度存在最佳尺寸使得光声信号达到最强,阶梯腔数目应选1为宜;流场方面,阶梯复合形光声池构型特征改善了腔内气体涡漩回流的情况,若进一步对其腔内过渡处进行圆角或倒角处理,腔内流速梯度将变得更为平稳。选择一组设计参数进行构型与计算,得到阶梯复合形光声池腔体容积降低为对应圆柱共振型光声池的39.7%,光声信号相对提升约18.7%,同时其频响带宽变窄,品质因数相对得到提升,整体结果显示阶梯复合形光声池声-流特性要优于对应的圆柱共振型光声池。研究内容可为光声光谱光声池的结构优化与改进提供参考。     

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。     

穿孔管消声器声学长度修正的理论公式

推导出穿孔管消声器声学长度修正以及共振频率的理论公式。证明了在均匀分布情况下,多小孔向膨胀腔声辐射与单个小孔向膨胀腔声辐射的声学长度修正系数是一致的。对于小孔向主管道的声辐射,根据理论公式研究了穿孔率、周向均布数以及亥姆赫兹数对声学长度修正的影响,有限元计算得出在直径比小于0.4的情况下声学长度修正系数理论公式与仿真计算结果吻合良好。并利用理论公式的性质以及仿真结果获得了实用的拟合公式,提升了穿孔管消声器在高频时共振频率的计算精度。      

光纤耦合的全固态中红外QEPAS光声探测模块

石英增强光声光谱(QEPAS)技术是近年来发展迅速的一种气体检测技术,具有灵敏度高、设备体积小、对环境噪声免疫等优点.本课题组设计了一种光纤耦合的全固态中红外QEPAS光声探测模块,并基于气体热动力学和一维声学谐振腔理论,利用COMSOL软件对探测模块的声压分布及声压级进行了研究;然后设计并加工了光机电一体化探测模块,将声学谐振腔、光声池、光纤模块和前置放大模块集成一体,使该模块具有易于准直、稳定性高、抗干扰能力强等特点.采用中心波长为2 μm的高功率中红外分布反馈式激光器,结合波长调制技术,对CO2进行了探测,结果表明,在1 s的积分时间下获得了3.7×10-3的探测极限.通过Allan方差分析发现,积分时间为1123 s时,系统的探测极限可以达到1.34×10-6.采用基于该模块的QEPAS系统可以实现对室内CO2浓度的实时监测.     

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.     

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。     

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.     

Numerical shape optimization of photoacoustic resonators

The sensitivity of photoacoustic sensors strongly depends on the shape of the acoustical resonator. Up to now, mainly photoacoustic sensors consisting of a number of cylindrical parts have been investigated (cylinder cells, H cells, T cells etc.). In this paper, a numerical shape optimization of the resonator cell of photoacoustic sensors is described. The approach considers all shapes that can be represented by a number of axisymmetrical truncated cones which are connected in a continuous way. In addition, the geometry of the cell is subjected to certain constraints, e.g.  the laser beam should not be blocked during its passage through the cell. The purpose is to maximize the sensor’s signal strength. The acoustic pressure at the position of the microphone represents the objective function and is calculated using an eigenmode expansion combined with a finite element calculation. The solution of a 17-dimensional nonlinear optimization problem is a resonator shape with a substantial quality improvement with reference to the well-known H cell.     

可在线校准的大气CO_2浓度光声光谱监测系统研究

Fs光声光谱系统的谐振频率和池常数通常在实验室由标准气体标定得到,但在实际应用中,由于标准气体本身的不确定度以及与被测气体成分的不同、环境温湿度的变化,使得现场测量中谐振频率和池常数与实验室标定结果有偏差,从而导致测量结果不准确。为了解决以上问题,提出了基于大气中氧气的在线校准技术,并将该技术用于检测大气中二氧化碳浓度的光声光谱系统。大气中氧气浓度恒定为20.964%,通过探测氧气在763.73nm附近的扫频信号及峰值信号,实现共振频率和池常数的在线校准。该系统中光声池为直径6mm,长度100mm的一阶纵向共振模式结构。理论上分析了环境温湿度、气体成分对光声池性能的影响,同时给出了用标准气体、室内空气和室外空气标定的谐振频率和池常数,在标定结果的基础上,测量得到室内和室外的二氧化碳浓度值。实验结果显示,与校准过的气体分析仪的测量值相比,用被测大气中的氧气标定的谐振频率和池常数计算的二氧化碳浓度更准确,相对误差小于1%,远小于实验室标准气体标定计算的浓度相对误差。创新处在于,直接利用大气中的氧气对光声池的池常数和共振频率进行在线校准,有效的减小了标准气体标定带来的误差,以及环境变化带来系统漂移,提高光声系统在线监测的准确性和可靠性。     

光声光谱气体检测系统中气体湿度的影响研究

工作环境是光声光谱气体检测系统在工业现场应用的重要影响因素.实验发现,待测气体湿度对电容式微音器灵敏度影响显著,导致现有光声光谱气体榆测系统测试结果漂移.文章提出一种气体湿度影响消除方法,在光声腔中安装扬声器,以扬声器信号幅值作为声感应器件灵敏度的自适应表征,对光声信号幅值作自行修正,有效克服电容式微音器声信号榆测中灵...     

Influence of resonators on the acoustic and propulsion performance characteristics of a ramjet ejector chamber under conditions with vibration hydrogen combustion

The influence of acoustic resonators on the acoustic and propulsion performance characteristics of a ramjet ejector chamber under conditions with vibration hydrogen combustion was experimentally examined. In the study, resonators having identical throats and different cavity diameters were used. For fixed-volume resonators the best propulsion performance characteristics were achieved in the case in which the cavity diameter differed little from the resonator throat diameter.     

一种具有声低通滤波特性的无源零差光纤水听器

报道了一种新颖的具有抗混叠功能的无源零差迈克耳孙型光纤水听器.它由一个普通的芯轴型光纤水听器和一个圆柱型亥姆霍兹共振器构成.在驻波罐中对其声压相位灵敏度频响进行了测量,结果表明该光纤水听器具有较好的声低通滤波特性,能有效地抑制声信号中的高频成分,从而实现抗混叠滤波.该光纤水听器的低频声压相位灵敏度主要由传感光纤长度和弹性增敏层的物理特性决定,约为-159 dB(0 dB=1 rad/μPa).在1150 Hz附近出现了一个共振峰,这主要由圆柱型亥姆霍兹共振器的声学特性决定.1150～2280 Hz频段内的灵敏度衰减率约为50 dB/倍频程,1500 Hz以后的灵敏度衰减量大于10 dB.这对于提高我国未来声纳系统的抗干扰能力具有十分重要的意义.