摘要：随着现代化工业的高速发展,痕量气体检测技术的重要性不言而喻,目前痕量气体检测技术已广泛应用于环保、化学工业、生物生态以及医学检测等各个领域,光声光谱技术由于它具有零背景检测、探测器不受波长限制、光学元件简单,系统调节及维护方便等优点,现已成为光谱学领域中非常重要的检测手段,近些年来,随着微弱信号检测与激光器技术的快速发展,光声光谱技术也得到更多学者的关注与研究,所取得的成果为光声光谱检测性能的提升提供了重要的设计参考,然而,当前文献报道较少地涉及到光声池的优化工作,尤其是对光声池的形状构造等问题鲜有深入探索。光声光谱检测系统中最核心的部件之一即为光声池,它是承载待测气体的容腔以及产生光声耦合作用的场所,其形状构型在很大程度影响着光-声之间的耦合状况,以致于影响整机系统的信噪比与灵敏性,因而探索设计光声池的形状具有重要的理论研究意义及工程应用价值。为此,基于传统圆柱形光声池的设计基础,探索研究了纵向截面为圆形、正三角形、椭圆等8种典型形状的光声池结构模型,并对其声场特性进行了仿真分析,借助3D打印技术制作了各类光声池实物,通过实验对比分析了8种光声池的性能指标,在限定光声池纵向长度及纵向截面周长相等的条件下,仿真结果表明, 8种形状各异的光声池工作纵向声学模态振型均相同,实验结果表明, 8种光声池的工作声学共振频率值基本相同,受其激光光源与腔内声学模态耦合的影响,其品质因素从大到小依次为:圆形、短轴椭圆、正五边形、正方形、大圆轴线形、正三角形、小圆轴线形、长轴椭圆,池常数从大到小依次为:圆形、长轴椭圆、正五边形、正方形、大圆轴线形、小圆轴线形、正三角形、短轴椭圆,整体结果显示,对于光声光谱光声池的设计,在没有特殊要求的情况下,光声池应优先为圆形形状,研究过程与结果为光声光谱中光声池的设计与优化探索提供了借鉴与参考。

摘要：基于光声光谱原理的气体浓度检测是光声技术最典型的应用。与其他光谱气体检测方法相比,光声气体检测技术主要具有结构简单、探测器不受波长限制、零背景噪声、成本低等优点。它在气体检测领域得到了广泛的认可和应用。作为光声光谱气体检测系统的核心部件,光声池的性能将直接影响系统的检测结果。因此,光声池的优化设计已成为该领域的研究热点。当前,针对光声池的优化主要是基于系统静态条件,关于光声池腔内气体流动性能及动态时间响应的研究报道较少。由于光声池在动态检测条件下的气体扰动及系统检测噪声具有一定影响,因而对于光声池的相关参数进行进一步的探索与优化,改善光声池腔内气体流场分布、动压特性及其气体浓度平衡时间对于提升光声光谱的气体检测性能具有重要意义。为此,以传统的圆柱形光声池为基础,基于三维流场数值模拟方法建立了光声池腔内流场的稳态和瞬态模拟模型,计算获得了光声池腔内气体流场分布及其气体浓度平衡响应规律,结果表明,减少光声池腔内气流流速及优化光声池中的过渡结构将会改善气流引发的动压波动以及缩短腔内气体浓度调节时间。以光声池的缓冲腔与谐振腔过渡处圆角、辅助孔数量、辅助孔半径、辅助孔中心圆半径以及进气速度5个参数为因素,以谐振腔轴线中点处动压值和气体浓度调节时间为考察指标,采用数值模拟和正交试验设计与熵权法相结合的方法,获得了光声池的相关参数对动压值影响的主次影响顺序为:辅助孔半径>辅助孔数>进气速度>过渡圆角>辅助孔中心圆半径;对调节时间影响的主次顺序依次为:进气速度>辅助孔半径>辅助孔数=辅助孔中心圆半径>过渡圆角,为平衡指标的影响,将多目标参数优化问题转化成单目标优化问题,客观地给出动压值和调节时间的权重分别为0.49、 0.51。在研究参数范围内,获得了其最佳参数组合为:缓冲腔与谐振腔过渡处圆角为3.0 mm、辅助孔数量为8个、辅助孔半径为3.5 mm、辅助孔中心圆半径为22.5 mm、进气速度为0.06 m·s-1,优化后的光声池谐振腔轴线中点处动压值为9.4×10^(-4)Pa,腔内气体浓度调节时间为141 s,相较于优化前的指标,动压值相对降低了88.1%,调节时间相对降低了17.5%,两项指标均得到优化提升,优化效果较为理想。研究方法与结论可为光声池的优化设计和拓展研究提供重要参考。

摘要：光声光谱法是基于红外吸收光谱原理的一种高灵敏度的微量气体探测技术。它使用声共振腔来实现微弱声信号的共振放大。通过调节激光的调制频率，当它等于腔的某个共振频率时，在腔内形成声驻波，而腔本身的作用相当于一声放大器。共振腔的放大作用取决于当前被激活的共振模式、腔的品质因素、声传感器的状态以及电磁辐射与腔共振模式的耦合作用。值得关注的是，红外激光相对于声共振腔的入射方位不同则激励产生的光声信号幅值也不同。采用理论推导与数值计算相结合的方法，以圆柱形光声池为例，研究了径向共振模式下耦合系数受激光入射方位的影响。研究表明，激光入射角在0-π／2范围变化时耦合系数存在2个零点和2个极大值：入射角为。或tan^-1（0．8592×2R／L）时，耦合系数为零而径向共振失效；入射角为tan^-1（0．5568×2R／L）或tan^-1（2R／L）时，耦合系数极大而径向共振最强。此处R为池径而L为池长。结果可用于指导光声池结构优化设计与安装调试，增强光声法检测微量气体的信号幅值，提高检测灵敏度。

摘要：光声池是发生“光-热-声”耦合的场所,光声池性能的优劣直接影响检测系统的精度与灵敏度。为了提高光声池的性能,在传统圆柱形光声池的基础上,提出了一种两级缓冲式光声池。利用COMSOL软件中热粘性声学物理场接口仿真分析了缓冲隔板高度及缓冲隔板数量对光声池内声场的影响规律。结果表明,光声池的共振频率随缓冲隔板数量和高度的增大而减小。当缓冲隔板的数量固定,缓冲隔板高度H大于11 mm时,光声池的共振频率随缓冲隔板高度的增加而急剧减小。在光声池共振频率要求范围内,共振频率的减小有利于光声信号幅值的提高;当缓冲隔板的高度固定时,光声池的声压随缓冲隔板数量的增加而减小;当缓冲隔板高度在0~11 mm之间时,声压值保持相对稳定;当缓冲隔板高度大于11 mm时,声压值随缓冲隔板高度的增加而急剧减小。流场方面,通过在缓冲腔内设置缓冲隔板可减小左侧缓冲腔内的速度梯度。一级缓冲方式虽可一定程度减小速度梯度,但在缓冲隔板处出现速度波动,而两级缓冲方式不仅减小了光声池内的速度梯度,而且使气体流速更加平稳。考虑到光声信号幅值、声压及光声池内速度梯度等指标,选用缓冲隔板高度为11 mm,缓冲隔板数量为2。基于所给最优参数的两级缓冲式光声池,仿真及实验结果表明:所设计的两级缓冲式光声池和同尺寸的圆柱形光声池相比,声压由3.34×10^(-5)降低为3.32×10^(-5),本底噪声由(2.83±0.11)μV降低为(1.26±0.03)μV,共振频率由1344 Hz降低为1299 Hz。虽声压减小了1.2%,但声噪比提高了2.22倍,且共振频率在满足要求的范围内降低了3.3%,使光声信号幅值得到一定程度提升。整体来说,两级缓冲式光声池稳定了气体流动噪声,减小了流动噪声的波动幅度,为光声池优化设计提供了一种新的思路。

摘要：利用光声光谱技术进行痕量气体的检测具有独特的优势,光声池是系统装置中最为重要的核心部件,它决定着整机性能的优劣.以一圆柱形共振型光声池为研究对象,基于声学与吸收光谱学的基本理论,建立了光声池声场激发的数学模型;利用数值模拟方法对光声池空腔结构进行了声学模态仿真,获得了前8阶声学模态值以及声压可视化振型;在考虑热黏性声学损耗的作用下,对光声池进行了热-声耦合多物理场仿真计算;将仿真结果与解析计算和实验结果进行对比,明确了利用数值模拟方法来计算光声池有关指标的可靠性与可行性;针对光声池的优化问题,提出了一种将响应面代理模型与遗传算法相结合的优化算法,在将原光声池中的谐振腔两端形貌更改为喇叭口形的情况下,通过优化算法获得了以光声池品质因数Q及池常数C_(cell)为最大值寻优的Pareto最优解集;选取一组解进行考察,结果表明,代理模型预测值与数值模拟值指标最大误差仅为1.3%,优化后的新型光声池Q较之前增长了48.9%, C_(cell)增长了34.4%.研究方法可为光声光谱中光声池的优化设计提供参考借鉴.

摘要：在基于光声光谱技术的痕量气体检测系统中,光声池是决定系统性能的关键部件。针对传统柱形光声池受限于形状优化参数的问题,本文提出并设计了一种母线为双曲线的曲体束腰型光声池方案,该方案创新性地引入了母线离心率参数,实现了三维立体优化。本文基于有限元分析方法,利用COMSOL软件构建模型,分析母线离心率为7.14的光声池结构,得到了该结构在热黏性损耗作用下的前八阶声学模态值以及可视化振型。仿真结果表明,所设计的光声池的品质因数高达83.3;对光声池进行形状优化,发现光声池谐振腔长度对谐振频率敏感,母线短半轴长对声压幅值敏感。通过调节母线离心率可以有效地调节谐振频率且不影响声压幅值。光声池的幅频响应特性表明,较小的离心率易激发多谐振峰,在离心率为5时,激发的第一、第二谐振峰较强,它们的品质因数分别为75.9和128.9。本研究表明,此类曲体束腰型光声池具有优良的性能及较高的可设计度,对新型光声检测技术具备多场景适应能力,具有重要的理论和工程应用价值。

摘要：光声池作为光声光谱气体检测系统中的核心器件直接影响系统的检测精度,以经典圆柱形光声池为基础研究对象,利用有限元分析软件,结合压力声学及热粘性声学两种物理场对光声池内的声热耦合过程进行建模,通过仿真对比谐振腔和缓冲腔的几何参数变化对光声池性能的影响,进而确定其最优尺寸。仿真结果表明:谐振腔、缓冲腔的长度和半径均会影响谐振频率和声压。充分考虑对比结果及工业制造难度后,选定谐振腔最佳长度为120 mm,最优半径为3 mm,缓冲腔半径为35 mm。在此基础上,设计了一种谐振腔与缓冲腔为圆角连接的光声池,与同尺寸直角光声池相比,圆角光声池在提高光声信号和降低流动噪声干扰方面更具优势,品质因数提高至1.109倍,池常数增大到3635.1 Pa·cm/W,声压提高到1.26×10^(-5) Pa。在甲烷气体的浓度检测中,系统灵敏度可达到0.87 ppm,检测结果较理想,符合高灵敏度的要求。因此,圆角连接光声池在性能上有明显提升,可为光声池的优化设计提供参考。

摘要：基于光声光谱的无创血糖监测方法具有灵敏度高、特异性好等突出优势,其光声池发挥着至关重要的作用,主要表现在如何提供一个优越的光声转换环境和增强光声信号的作用。现主要以RG理论为基础,分别对两种光声池进行设计和研究,给出光声池的设计方法及其结构参数计算过程,并通过具体实验来检验光声池结构参数设计的正确性、实用性和可行性。这两种光声池一种是非共振双腔差分光声池,适用于固体检测;另一种是非共振单腔光声池,适用于固液体样品检测。

摘要：光声光谱检测可很好地应用在植物光合作用的研究领域,可更有效于传统检测方法并已在大量检测研究中得以证明。在一套光声光谱仪检测装置中,光声池是其核心部件,其设计好坏直接影响着实验的结果。文章阐述了适用于植物光合作用的光声池的设计方法及其需要关注的关键问题;展望了植物光合作用的光声光谱检测与其他检测方法联用的重点及其研究方向;提出了光声池设计中应着重关注其活体实时在线检测及其相关技术问题。

摘要：针对特定场合对光声光谱气体检测系统中光声池特征频率的设计需求,利用有限元分析法,以一阶圆柱形共振光声池为研究对象进行声学模态仿真,获得了前8阶声学模态;仿真分析谐振腔、缓冲室的半径和长度对光声池特征频率和光声信号强度的影响。仿真结果表明:当谐振腔半径为3 mm时,谐振腔长度为120 mm,缓冲室的半径、长度分别为14.7 mm、60 mm是光声池特征频率在1400 Hz附近的最佳尺寸。