基于有效弛豫时间的声学气体探测方法研究

弛豫时间是气体声弛豫过程的核心体现，是声在气体中传播的本质之一。有效弛豫时间是引起气体最大弛豫声吸收系数的声波周期，是气体声弛豫时间的宏观体现。基于有效弛豫时间的声学气体探测是气体信息传感机理与检测方法的创新发展方向。本项目以常见混合气体和空气为样本，研究单一气体有效弛豫时间与混合气体有效弛豫时间的关系，寻找有效弛豫时间的数值范围与混合气体中一种或多种气体存在的定性关系，构建有效弛豫时间对应混合气体中一种或多种气体浓度的数学模型，建立利用有效弛豫时间从多元混合气体和空气中定性定量探测一种或多种气体成分和浓度的理论方法，揭示利用有效弛豫时间探测气体信息的传感机理。同时完善有效弛豫时间的弛豫矩阵求解方法，利用弛豫矩阵解释混合气体各成分间单独的平动、振动等独立弛豫时间与混合气体有效弛豫时间的关系，揭示混合气体多个单独弛豫过程形成复合弛豫过程的科学原理。建立基于有效弛豫时间的声学气体探测理论。

气体声吸收谱是气体声吸收系数依赖于声频率的变化响应。声谱峰值点的位置对应气体最大吸收系数和有效弛豫频率，本项目发现了有效弛豫频率数值上约等于有效弛豫时间的倒数，其物理意义为当声波的周期等于气体的有效弛豫时间时，将引起气体最大的声弛豫吸收。因此，气体声谱峰值点被称为有效弛豫时间作用点。本项目首先获得了一个仅用有效弛豫时间作用点的声吸收和声频率值重建气体弛豫声谱的方法，证明了有效弛豫时间作用点是气体声谱的核心。同时通过分析统计已发表文献中气体声谱的理论和实验数据，并利用本项目获得的混合气体声复合弛豫频谱的解析模型来扩展这些数据，建立了包含空气、二氧化碳、甲烷、氢、水蒸气、氮和氧等多种常见混合气体的声谱数据库。分析出了有效弛豫时间作用点随气体成分和浓度变化的规律，获得了气体有效弛豫时间作用区。发现了不同成分常见气体的有效弛豫时间作用区是相对独立的现象，建立了利用有效弛豫时间作用区来定性探测气体的理论。本项目然后结合利用成分浓度和环境温度构建出可用于实际测量的气体有效弛豫时间作用区，提出了基于有效弛豫时间作用点的定性和定量气体探测的方法。该方法可以根据环境温度进行迭代标定，能有效消除由测量误差造成的有效弛豫时间作用点偏移，从而减小了本方法的实际应用误差。本项目还获得了仅测量两个频率点的声吸收和声速值构建气体有效弛豫时间作用点的方法，使得利用两对声换能器就可以设计实现基于有效弛豫时间作用点的气体传感器，为基于有效弛豫时间的声学气体探测理论的实际应用奠定了可行性，并初步建立了基于有效弛豫时间的气体传感器原型及气体声谱测量实验装置原型。完成了本项目核心创新点：基于有效弛豫时间的声学气体探测理论。本项目同时还提出了一种多元混合气体有效弛豫时间的计算方法，得出了复合振动弛豫过程的弛豫时间等于弛豫方程转移速率矩阵特征值的倒数除以2π的结论；建立了混合气体中多模式振动弛豫的去耦合模型，并获得了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，最终利用该有效弛豫时间模型和分解对应关系获得了气体的弛豫声吸收谱构建模型。上述结果，揭示了混合气体多个单独弛豫过程形成复合弛豫过程的科学原理，完成了本项目的另一创新点：基于弛豫矩阵的混合气体有效弛豫时间复合理论。本项目已在国内外重要学术期刊上发表7篇高水平研究论文，其中被SCI检索的论文5篇，圆满完成了本项目计划任务书提出的任务和目标。