摘 要

在工业生产与生活中，气体成分的泄漏存在巨大的安全隐患，因此对于气体浓度的实时、高精度测量已经成为越来越重要的课题。在此过程中，根据不同的场合我们可以采用不同类型的气体传感器，而在气体测量过程中声吸收问题会对结果产生很大影响，而且声吸收谱也是超声波谱建立过程中最重要的一部分，因此我们需要对声吸收问题进行理论分析与仿真。

论文的主要内容是从理论上完成气体中经典声速公式的推导；其次根据声速测量过程中出现的声吸收问题，完成对声吸收理论的分析；最后利用matlab软件对声吸收过程中吸收系数与声波频率之间的关系进行仿真，同时分析温度、压强等因素的影响。

研究结果表明：弛豫声吸收系数与波长的乘积随声波频率的变化呈现先增加后减小的趋势，而且在某一特定频率下达到最大值，仿真的结果无论是对于气体浓度测量过程中的误差分析还是对于气体声吸收谱的建立都具有重大的意义。

关键词：气体检测；超声波；经典吸收；弛豫吸收

Abstract

In industrial production and life, there is a huge security risk about the leakage of gas components, so how to contect the gas concentration in real-time, high-precision has become an increasingly important issue. In this process, depending on the situation, we can use different types of gas sensors and gas measurement process .But sound absorption problems have a significant impact on the results, and the sound absorption spectrum is the most important part of the establishment of the ultrasonic spectrum, Therefore, we need to have a theoretical analysis and simulation about sound absorption problems.

Our mian content is to complete derivation formula of gas the speed of sound in classical theory; secondly based on absorption problems arising in the course, to complete the analysis of the sound absorption theory; finally use matlab software to stimulate the relationship between sound absorption coefficient and absorption frequencies ,and analysis of the influence of temperature, pressure and other factors.

The results show that: Change of relaxation sound absorption coefficient multiplied with the change of wavelength of sound frequency,and it increases first and then decreases, reaching a maximum at a certain frequency, the simulation results are of great significance for both the gas concentration measurement process error analysis of gas and for the establishment of sound absorption spectrum.

Key Words：Gas detection; ultrasonic; classic absorption; absorption relaxation

目 录

摘要 I

Abstract II

第1章绪论 1

1.1气体探测方法概述 1

1.2 气体探测研究现状与意义 2

1.3 论文主要内容 3

第2章气体声学理论基础 4

2.1 气体在平衡状态下的热力学基础 4

2.2 气体在声波扰动下的声波方程 7

2.3 气体声吸收理论 7

2.3.1经典声吸收 8

2.3.2 弛豫声吸收 8

2.4 气体声速理论 10

2.5本章小结 11

第三章声吸收的仿真 12

3.1 仿真的理论基础 12

3.2 仿真结果 13

3.2.1 经典声吸收 13

3.2.2 弛豫声吸收 13

3.3 结果分析 13

3.4 仿真中出现的问题 14

3.5 本章小结 14

第4章结论 16

4.1 论文工作总结 16

4.2 后续工作与展望 16

参考文献 18

附录 19

致谢 20

第1章 绪论

本章第一是对气体检测的必要性以及发展趋势展开了介绍，其中涵盖了传统的气体探测方法，尤其是对利用声学进行气体检测这种方法的说明，第二是对本文的大体内容进行了概括，并且在此基础上介绍了该课题的科研目的和实际意义。

1.1气体探测方法概述

随着电子工程，材料技术和集成电路的高速发展，气体成分和浓度的检测在许多领域都扮演着很重要的角色，比如空气质量检测，航空航天，油田管道等。由于应用的场所不同，依据不同的原理可以制作不同的气体传感器，现在应用比较广泛的有红外光谱吸收气体传感器，半导体气体传感器，光声光谱气体传感器，电化学气体传感器，接触燃烧式气体传感器，声表面波气体传感器等。

红外光谱吸收气体传感器是基于气体分子的吸收特性，当气体分子不同的时候，对于近红外谱也是不一样的，并且气体的浓度与进红外光谱的吸收的强度存在一定的关系，利用这种关系制成红外光谱吸收气体传感器。这种传感器经常被应用于二氧化硫，二氧化碳，一氧化碳，甲烷等气体的检测，由于当这些气体浓度过高时会有安全隐患，因此这种传感器在地洞下，煤矿井口处危险气体的检测有广泛的应用。相比较其他的气体探测器，红外光谱吸收气体传感器由于测量的可靠性很高，可以选择测量不同的气体，没有毒性，受环境的影响小，寿命比较长的优点，气体鉴别能力好，响应速度很快的优点，有大量的应用。

半导体气体传感器是利用半导体特性制成的，由于半导体容易受到外界条件影响根据这个特点制成半导体气体传感器。这种传感器可以很好的检测多种气体，比如一氧化碳、甲烷、氧气、二氧化氮等，由于这些气体经常在环境保护，化学工业生产，石油勘测等许多领域出现，在这些领域都有广泛的应用。相比较其他传感器，这种传感器的特点是灵敏度高，使用起来简单，响应速度快。