对超声波测量气体浓度中声吸收问题的仿真与分析开题报告

1. 研究目的与意义（文献综述）

在工业与生活中有大量需要对气体进行检测的地方，尤其是一些危险气体，比如一氧化碳，甲烷等，我们需要对这些气体的浓度进行实时的测量来确保安全，因此现在有各种形式的气体探测器。而声是人们感受世界的方式之一，我们利用气体声吸收随声波频率的变化规律和气体声速随声波频率的变化规律制造出了检测气体成分的气体传感器，并且得到了广泛的应用。利用超声波进行气体检测具有成本较低、寿命较长、功耗较小、响应速度较快、测量浓度范围不受限、能同时检测出具有不同特性的多种气体浓度等优点,正在被学者们大力研究。

但是由于超声波在气体中传播时会打破气体原来的平衡，而气体会重新达到新的平衡状态，在这个过程中存在气体对声波的吸收现象，从而会影响到超声波在气体中的传播速度，会导致测量的误差，所以我们要对超声波进行气体测量时的声吸收现象进行分析与计算。

声波的能量在气体中传播时会有两种衰减：声扩散和声吸收。我们讨论的一般是平面波，而平面波没有声扩散，所以我们只考虑声吸收。研究声衰减与气体浓度的关系的理论与方法早在上世纪五六十年代就有了，并发现气体中的声衰减有经典声衰减和弛豫声衰减。在很快的时间科学家就得到了完备的经典声衰减公式。但是对于弛豫声衰减研究了近八十年时间，从最早的ssh提出的双原子中分子内部振动能量转移理论，到本世纪初的dl提出的d-l弛豫声衰减理论将ssh理论扩展到三种气体。最近petcuiescu和lueptow采用参与碰撞过程的两个分子的全部成对振动跃迁概率来描述分子平动能量和振动能量的交换，进而修正和完善了dl模型。不过dl模型中存在某些经验参数需要根据真实实验数据来调整，以便使得该模型的结果与实验结果相符合，这在一定程度上影响了dl模型在包括三种以上气体成分或含有复杂振动能级分子的混合气体中的应用，阻碍了该模型成为一种普适的弛豫衰减理论预测模型．

2. 研究的基本内容与方案

利用超声波进行气体检测时的吸收现象的仿真与分析主要是要对于d-l理论的推理与改进，这其中涉及到混合气体的声速推导，热力学原理的理解，经典声衰减，弛豫声衰减等知识。我们要通过matlab进行仿真，来对声吸收系数的大小以及误差进行分析。进一步通过实验来验证是否与理论仿真结果一致。

以下是对其拟采用的技术方案：

1．完成超声波测量气体浓度中混合气体中声速公式的推导，即

3. 研究计划与安排

第1－3周：查阅相关文献资料，明确研究内容，了解流体运动的微分方程和连续性方程，完成气体中声速公式的推导，并熟悉气体浓度检测和声吸收方面的知识，完成开题报告。

第4－6周：完成英文文献翻译，进一步完善研究目标，对声吸收理论有更深层次的理解；

第7－9周：建立完整的声吸收理论，并考虑其影响因素；

4. 参考文献（12篇以上）

[1]贾雅琼.气体超声波谱的构建及其在气体探测中的应用[d].武汉：华中科技大学生物信息技术，2013.

[2]masashi sonoyama andyoshimine kato. application of ultrasonic to a hydrogen sensor[j].ieee sensors2010 conference，2010：2141-2144.

[3]鄢舒,王殊.多原子分子气体中声波弛豫衰减谱的重建算法[j].物理学报，2008，57（07）：4282-4291.