多原子分子气体中声波弛豫衰减谱的重建算法.pdfVIP

第57卷第7期2008年7月 物 理 学 报 1000．3290／2008／57(07)，4282一10 ACTAPHYSICASINICA @2008 chin．Phys．S0c． 多原子分子气体中声波弛豫衰减谱的重建算法* 鄢 舒’ 王 殊 (华中科技大学电子与信息J=程系。武汉430074) (2007年6月14U收到；2007年IO月17F1收到修改稿) 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r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lHz到loGHz．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町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 PACC：5140，3450E，4460，4360 测的理论模型成为利用声学方法研究诸如气体分子 1．引 言 热力学特性、混合气体中分子种类和含量等问题的 理论基础，同时也是这一研究领域的迫切需求． 声波在多原子分子气体中传播时，其能量除了 由于与声波弛豫衰减相关的气体分子激励．弛 因气体的基本输运过程，如黏滞、热传导、扩散和辐 豫过程与分子间相互作用力、分子内部振动和转动 射等，造成的经典吸收外，还存在与多原子分子内部 能级等微观物理参数有关，因此建立精确的声波弛 弛豫过程有关的弛豫吸收…．弛豫衰减实际上是分 子外部自由度(如平动)与内部自由度(如转动和振 动)，或内部自由度之间能量的重新分配过程，间接 理论¨1，该理论被成功地用于解释单一气体和二元 地反映了分子本身的结构、类型及其他基本特性．气 体中声波的经典衰减与声波的频率的平方成正比， 一步把ssH理论扩展到室温条件下的三元混合气 而弛豫衰减则复杂得多，与声波频率的关系是非线 体中¨训，成功用于包括氮气、氧气、二氧化碳、氢气 性的心·．因此测量气体中声波的弛豫衰减谱是刻画 和甲烷等常见气体的多种混合气体的弛豫衰减预 多原子分子气体的基本特性的有力工具¨1．由于目 前声换能器工作原理的限制，单个声换能器只能产 的两个分子的全部成对振动跃迁概率来描述分子平 生或接收与其谐振频率相同的单频或窄带声波H1， 动能量和振动能量的交换，进而修正和完善了DL 因此传统的声衰减测量往往是只能在某个频率或某 模型¨引．不过DL模型中存在某些经验参数需要根 几个频率上进行．为了使测量数据能够覆盖气体分 据真实实验数据来调整，以便使得该模型的结果与 子的主要弛豫过程，一般采取改变气体压强的方式 实验结果相符合，这在一定程度上影响了DL模型 来获得很宽的频率压强比b1．这在很多情况下常常 在包括三种以上气体成分或含有复杂振动能级分子 需要很低的压强，而此时声波信号要么小到被噪声 的混合气体中的应用¨引，阻碍了该模型成为一种普 淹没，要么大到不得不考虑气体的非理想状态，即这 适的弛豫衰减理论预测模型． 种测量方法会失效№1．因此建立对声波弛豫衰减预 在多原子分子气体中，分子通过碰撞交换内外 *国家自然科学基金(批准号资助的课题 tBm8il