摘 要

在现代生活中，光声光谱技术检测微量气体应用越来越广泛，光声池是基于光声效应的光声光谱检测系统的主要部分。模拟基于有限元法的一维纵向共振光声池理论，并分析出合理的光声池参数，设计出性能良好的光声池模型对于提高光声检测系统准确性和发展光声光谱技术有重要意义。

本论文首先介绍了光声光谱技术，研究了光声池的种类、材料、几何大小、模式等对性能指标的影响。再结合有限元软件对光声池内信号分布进行模拟，得到光声信号分布图，为设计光声池提供基础。结合理论和仿真结果，提出设计光声池的基本原则，并在此基础上，提出两种光声腔参数模型。最后经计算验证两种方案的合理性。

研究结果说明光声池的光声信号、品质因子等性能指标会随腔体几何参数变化而变化，结合模拟分析结果，可以得到光声池参数的合理选择，完成设计。

关键词：光声光谱，光声池，有限元法

Abstract

In modern life, the photoacoustic spectroscopy is more and more widely used in the detection of trace gases. The photoacoustic cell is the main part of the photoacoustic spectrum detection system based on photoacoustic effect. It is important to improve the accuracy of the photoacoustic detection system and to develop the photoacoustic spectrum technology by simulating the one-dimensional longitudinal vibrating acoustic cell theory based on the finite element method and analyzing the reasonable parameters of the photochrometer. significance.

In this thsis, we first introduce the photoacoustic spectroscopy, and study the influence of the types, materials, geometrical size and mode on the performance index. Combined with the finite element software to simulate the distribution of the signal in the phonogram, the distribution of the photoacoustic signal is obtained, which provides the basis for the design of the photoacoustic cell. Combining with the theory and simulation results, the basic principle of designing the photoacoustic cell is put forward. On this basis, two kinds of photoacoustic cavity parameters are proposed. Finally, the rationality of the two schemes is verified.

The results show that the photoacoustic signal and quality factor of the photoacoustic cell will change with the geometrical parameters of the cavity. Combined with the simulation results, the reasonable selection of the photoacoustic cell parameters can be obtained and the design is completed.

Key words: Photoacoustic spectroscopy，Photoacoustic cell，Finite element method

目 录

第1章 绪 论 1

1.1 研究背景 1

1.2 本文的研究意义及主要内容 2

第2章 光声光谱技术原理及光声池理论 3

2.1 光声光谱技术原理 3

2.2 光声腔的分类及选择 3

2.3 一阶纵向光声池 5

2.3.1 光声池材料及结构选择 5

2.3.2 光声池的模式确定 6

2.3.3 一阶纵向共振光声池理论 6

2.3.4 一维纵向共振光声池的主要结构 8

2.4 光声腔的性能指标 9

2.5 本章小结 10

第3章 光声池的有限元模拟及参数选择 12

3.1 有限元法介绍 12

3.2 一阶纵向共振光声池的仿真设计 12

3.3 光声池设计原则及设计参数选择 20

3.4 基于传输线理论的模型验证 21

3.5 本章小结 25

第4章 结论 26

4.1 结论 26

4.2 展望 26

参考文献 27

致谢 29

第1章 绪 论

1.1 研究背景

随着经济的发展，人们对生活水平的要求越来越高，尤其在对空气质量有了更高的要求。大气中存在多种微量气体，如二氧化硫，臭氧，氮氧化物等，它们虽然浓度占比很低，但却严重危害人类的健康^[1]。另外，在社会生产的多个领域，也需要对某些微量气体进行检测和控制，所以研究开发各种气体传感系统具有重要的意义。

为了实现对微弱气体的定性定量分析检测，目前发展起来多种技术。近年来，随着基于光声效应的光声光谱技术的不断应用，各类光声传感器、光声气体探测器都逐渐应用在各个领域。光声光谱技术相对于其他气体检测技术，有着许多优点，包括不需要分离气体且可连续监测、灵敏度准确性高等优点，因此具有良好的发展前景，目前多应用于检测待测气体的微弱信号。

光声光谱技术是由1988年美国科学家在固体中发现的光声效应发展而来的一种光谱技术^[2]。1990年，F.J.M.Harren和J.Reuss研制了一种基于二氧化碳激光器的腔内增强吸收光声气体检测仪，检测到兰花枯萎时产生的C₂H₄检测灵敏度为20×^[3]。2002年，荷兰研究学者们运用光参量振荡器搭建的光声光谱检测系统对C₂H₆气体进行了检测^[4]，灵敏度达到10ppt。而在国内，光声光谱技术也有相应的发展。1978年，中国科学院长春应用化学研究所研制了气体光声光谱检测仪器^[5]。2004年，哈尔滨工业大学的王书涛等人设计了基于光声光谱技术的光纤气体传感器，检测到二氧化硫的气体灵敏度达到0.12ppb^[6]。2012年，中国科学院半导体研究所等人使用量子级联激光器结合赫姆霍兹光声池对甲烷检测，气探测极限达到189nmol·mol^-1[2]。近些年来，光声光谱技术在我国得到了长足的发展，但总体上跟国际上还是有一定差距。

光声光谱技术相比于传统的光谱技术有着很大的不同。传统光谱探测是探测将光与目标物作用后的透射光信号，样品选择上具有很多限制，而且由于检测光信号，光形成的散射、反射都会很大影响检测效果^[7]。新型的光声光谱技术则很好的解决了以上问题，极大提高了检测准确度和适用性。光声腔产生的声波信号的强弱可以通过检测直接反应样品吸收光产生声波能力的大小，同时很好的避免了光的反射、散射等问题，对于固体、气体等，都可以进行检测，因此光声光谱技术现在得到很大发展，并在国内在有着很好的应用前景。