MgSO_4弛豫吸收对水下强声波脉冲传播的影响分析

对水下等离子体放电强声波脉冲实验测量波形进行FFT变换发现,其能量主要集中在100kHz以下的频段内,在这个频段内,海水中存在的一种盐类———MgSO4(硫酸镁)化学弛豫会造成声波的逾量吸收。本文从包含海水中MgSO4弛豫吸收的修正物质状态方程出发,推导了强声波脉冲传播的新的波动方程,并结合具体的数值算法,对强声波脉冲的传播进行了数值模拟,分析了MgSO4弛豫吸收对脉冲波形的传播及频谱的影响。研究表明,MgSO4弛豫吸收对陡峭的冲击脉冲波形具有平滑和展宽作用,使得脉冲的能量更靠近低频。这种效应与球面波阵面的几何扩散相结合,造成了强声波脉冲能量的逾量损失。

基于声弛豫吸收谱分解特征的气体传感理论

为实现复杂混合气体的超声检测,提出一种基于声弛豫吸收谱分解特征的气体传感理论。该理论将混合气体声弛豫吸收谱分解为气体成分贡献的单独声谱,获得其分解声谱的峰值幅度与气体成分的依赖关系,并利用分解声谱峰值幅度随外界温度变化值作为识别参数。结果表明:利用分解声谱峰值幅度可实现多元混合气体的成分识别;引入温度参数后,可实现每种气体成分的浓度检测。

可激发气体振动弛豫时间的两频点声测量重建算法

振动弛豫时间是可激发气体分子内外自由度能量转移速率的宏观体现,它决定了声吸收谱峰值点对应的弛豫频率.本文给出了等温、绝热定压和绝热定容三种不同热力学过程下振动弛豫时间的相互关系;基于Petculescu和Lueptow[2005 Phys.Rev.Lett.94 238301]的弛豫过程合成算法,推导了单一压强下两频点声测量值的弛豫时间重建算法.该算法可应用于等温、绝热定压、绝热定容弛豫时间和弛豫频率的重建测量,并避免了弛豫时间传统声测量方法需要不断改变气体腔体压强的问题.仿真结果表明,对于室温下CO_2,CH_4,Cl_2,N_2和O_2组成的多种气体,重建的弛豫时间和弛豫频率与实验数据相符.

基于分子弛豫模型的混合气体多物理场二维重建算法

基于气体分子弛豫模型,研究声波传播的弛豫吸收与混合气体浓度及温度的关系,以CO-N2-O2混合气体为例,分别建立声速和声弛豫吸收同混合气体温度、浓度关系的三维模型.提出一种在二维空间中同时重建混合气体的温度场、浓度场和流场的算法,并对混合气体多物理场进行仿真重建.数值实验证明了算法的可靠性及实际应用的可行性,并可以将此算法应用到其它混合气体的测量,为混合气体的复杂多物理场测量提供了一种新的有效测量方法.

多元可激发气体声弛豫频率的环境影响分析

推导多元可激发气体中声弛豫频率和环境温度、压强的解析关系.理论分析和仿真计算表明:声弛豫频率线性反比于主弛豫过程的弛豫时间,正比于主弛豫过程的振动耦合热容,反比于外自由度热容;温度升高导致振动耦合热容增加、内外自由度能量转移速率增大引起弛豫时间减少,进而造成声弛豫频率正比于环境温度;压强增加使得分子碰撞速率增加引起弛豫时间减少,进而使得声弛豫频率线性正比于环境压强.

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.