气体声弛豫过程中有效比热容与弛豫时间的分解对应关系

声在多原子分子气体中传播所引起的弛豫过程是探索气体特性的重要方面. 本文通过研究气体声弛豫过程中振动自由度与平动自由度(V-T)以及振动自由度之间(V-V)的分子能量转移模型, 给出了有效比热容与弛豫时间的分解对应关系及其通用获得方法. 该分解模型与现有的声弛豫模型相比, 反映了分解后的V-T 和V-V弛豫过程中振动比热容与弛豫时间的对应关系, 并发现了较高能级是引起对应声弛豫过程的决定因素. 将基于该分解模型获得的气体声弛豫衰减谱经碰撞直径微调改进后, 比现有理论更接近实验数据, 其结果证明了该分解对应关系的正确性和合理性.     

常温下氢气声转动弛豫模型研究

氢气声弛豫过程主要由氢气分子的转动弛豫决定.然而,当前大部分声弛豫模型是基于气体分子的振动弛豫,并不适用于氢气.本文利用理想气体焓变与定压热容的关系,提出了一种基于氢气分子转动的弛豫模型,并讨论了转动弛豫和振动弛豫的相似与不同.该模型不仅适用于氢气,还能够和其他气体的振动弛豫模型相结合求解混合气体的声弛豫吸收谱和声速频谱.仿真结果表明,对于H_2,N_2/H_2,CO_2/H_2等气体,该模型生成的声速、声弛豫谱曲线与实验数据符合.本模型为包含氢气的混合气体声学探测提供了一个有效的理论模型.     

基于混合气体分子复合弛豫模型的一氧化碳浓度检测算法

研究了声波通过混合气体时,复合弛豫声吸收和声速与气体各成分浓度和声频率之间的依赖关系.以一氧化碳气体、水蒸气、氮气和氧气的混合气体为例,分别建立了弛豫声吸收和声速与气体浓度的三维模型,以及弛豫声吸收与声频率的二维模型.完成了通过测量弛豫声吸收和声速计算一氧化碳气体浓度的算法推导,提出了一种依据弛豫声吸收和声速检测气体浓度的简化算法.仿真实验结果不仅证明了算法的理论可行性,还给出了算法的最佳适用声频率范围,并估计了将算法应用于实验的误差原因,证明了算法具有实际可行性. 关键词： 气体浓度声学检测 一氧化碳浓度检测 复合弛豫声吸收 声速     

混合气体声复合弛豫频谱的解析模型

为研究声传播和分子多模式振动能量弛豫的相互关系,本文提出了一种混合气体声 复合弛豫频谱的解析模型.该模型从振动模式微观能量转移及其耦合形成宏观弛豫过程两个角度, 分析了依赖于声频率的混合气体有效热容.并通过求解振动模式能量转移的通用弛豫方程, 最终得到可同时体现主副弛豫过程的声弛豫吸收和声频散的解析结果.仿真结果表明, 对于CO₂, CH₄, N₂和O₂组成的多种混合气体, 该模型的声吸收谱与实验数据相符,峰值误差在1%以内,且反映了多振动模式形成的 声复合弛豫吸收谱上通常仅会显现1-2个吸收波峰的物理现象.与已有模型相比, 本解析模型可直接求出混合气体声弛豫频谱上特征点的解析形式,并利于对其进行定性定量分析. 从而为研究声传播特性与气体分子弛豫特性的相互关系提供了一个有效理论模型.     

基于拉丁方的认知差分跳频网络自适应频率集方法

将方法无线电和应用数学的原理引入多用户差分跳频网络,提出基于拉丁方的认知差分跳频自适应频率集方法.该方法在认知后得到可用频谱信息的基础上,将跳频频率集划分为频率子集,按照动态生成的拉丁方将频率子集动态分配给网内用户,使同一时隙内用户的频率子集正交,从而抑制多用户网络的多址干扰,提高抗部分频带干扰以及多音干扰性能.仿真结果显示该方法较传统多用户差分跳频网络可以显著提高多址性能与抗干扰性能.     

基于IC着色的认知差分跳频系统多址原理

本文将认知无线电(cognitive radio,CR)和图论引入差分跳频(differential frequency hopping,DFH)网络,提出基于IC着色和干扰温度模型的认知差分跳频多址(IC-ITMA)原理,用IC着色与干扰温度理论控制网内用户的发射行为,网内各发射机在接收机处产生的干扰温度正交.接收机根据测得的干扰温度来区分它们,使之达到区分预期信号和干扰信号的目的.仿真结果表明,该方法较传统差分跳频网络可以显著提高抗多址干扰性能.     

多元混合气体中非线性声衰减的数值模拟

采用直接模拟蒙特卡罗方法(DSMC)对多元混合气体中的非线性声衰减进行数值模拟,提出了一种不依赖于经验参数的声衰减的理论预测模型.通过DSMC数值模拟方法获得了包括氮气、氧气、二氧化碳、甲烷和水蒸气在内的多种多元混合气体的声衰减谱,研究的声波频率范围从8MHz到232MHz.与弛豫衰减的DL模型和经典衰减的Stokes-Kirchhoff公式的结果比较表明,该模犁的声衰减预测结果与之相符,其预测精度取决于对产生声衰减的分子碰撞过程的正确认识.另外数值模拟结果还表明,不同频率声波的声衰减对包含不同气体成分的混合气体特征不同,这将使得开发能够定量的检测不同环境和过程中的气体成分的智能声气体传感器成为可能.     

多原子分子气体中声波弛豫衰减谱的重建算法

提出了一种宽频率范围的弛豫衰减谱重建算法,并采用基于SSH理论的方法和基于实验数据的方法估计气体的有效弛豫时间.通过该算法得到了包括氮气、甲烷、氧气、二氧化碳和水蒸气在内的多种多原子分子混合气体的声衰减谱,研究的声波频率范围从1Hz到10GHz.与预测弛豫衰减的DL模型的结果比较表明,该算法获得的弛豫衰减谱结果与之相符,其预测精度取决于对分子弛豫过程的正确认识.另外该算法还被用于几种混合气体中水蒸气和二氧化碳含量的分析,其结果表明弛豫衰减谱可被用于定量分析多原子分子气体的成分组成,这使得实现高灵敏度地检测气体成分的智能声气体传感技术成为可能. 关键词： 声弛豫衰减 有效弛豫时间 重建算法 声气体传感器     

Decoupling multimode vibrational relaxations in multi-component gas mixtures: Analysis of sound relaxational absorption spectra

Decoupling the complicated vibrational-vibrational (V-V) coupling of a multimode vibrational relaxation remains a challenge for analyzing the sound relaxational absorption in multi-component gas mixtures. In our previous work [Acta Phys. Sin. 61 174301 (2012)], an analytical model to predict the sound absorption from vibrational relaxation in a gas medium is proposed. In this paper, we develop the model to decouple the V-V coupled energy to each vibrational- translational deexcitation path, and analyze how the multimode relaxations form the peaks of sound absorption spectra in gas mixtures. We prove that a multimode relaxation is the sum of its decoupled single-relaxation processes, and only the decoupled process with a significant isochoric-molar-heat can be observed as an absorption peak. The decoupling model clarifies the essential processes behind the peaks in spectra arising from the multimode relaxations in multi-component gas mixtures. The simulation validates the proposed decoupling model.