摘 要

氢气作为一种重要的清洁能源，在航天、能源以及化工等众多领域中有着重要作用。由于氢气本身的危险性以及超高的利用价值，促进了氢气浓度检测技术的发展。目前主流的检测气体浓度的方法是光声光谱法，但是由于氢气不存在吸收峰，光声光谱法并不适用，需要寻找新的方法测量氢气浓度。随着气体超声波谱概念的提出以及在气体探测中的应用，我们希望利用声学方法来完成对低浓度氢气的检测。目前已经有学者利用超声波在含有氢气的二元混合气体中的声速不同来测量氢气的浓度，但是利用弛豫声学方法来测量氢气浓度并没有得到很好的发展，这就为氢气浓度的测量带来了新的契机。

本论文旨在利用声衰减系数与气体浓度的对应关系来探测二元混合气体中的氢气浓度。首先通过理论分析建立声弛豫衰减系数与气体浓度的对应关系，其次结合仿真分析得出理论结果，最后设计实验方案，并且分析测量中可能产生误差的因素。

关键词：气体弛豫声；声衰减系数；二元气体；氢气

Abstract

Hydrogen as an important clean energy, plays an important role in the aerospace, energy and chemical and other fields. Due to the danger of hydrogen itself and the high utilization value, the development of hydrogen concentration detection technology is promoted. At present, the mainstream method of detecting gas concentration is photoacoustic spectroscopy, but because of the absence of absorption peaks of hydrogen, photoacoustic spectroscopy does not apply, and a new method is needed to measure the hydrogen concentration. With the concept of gas ultrasonic spectroscopy and the application in gas detection, we hope to use acoustic method to complete the detection of low concentration of hydrogen. At present, some scholars have used ultrasonic waves in the hydrogen-containing binary mixture of different speed of sound to measure the concentration of hydrogen, However, the use of relaxation acoustics to measure the concentration of hydrogen has not been well developed, which is the measurement of hydrogen concentration, give us a new opportunity.

The purpose of this paper is to detect the hydrogen concentration in the binary mixture by using the corresponding relationship between the coefficient of acoustic attenuation and the gas concentration. Firstly, the relationship between the coefficient of acoustic attenuation and the gas concentration is established by theoretical analysis. Secondly, the theoretical results are obtained by simulation analysis. Finally, the experimental scheme is designed, and analyze factors that may cause errors in actual measurements.

Keywords: Gases Relaxation Acoustics；Coefficient of Acoustic Attenuation；Binary Gas；Hydrogen

目 录

第1章 绪论 1

1.1 气体声驰豫研究现状及其检测应用 1

1.2 氢气浓度探测方法概述 2

1.2.1 电化学方法 2

1.2.2 电学方法 3

1.2.3 超声波法 4

1.2.4 光学方法 4

1.3 论文内容与章节安排 6

第2章 气体声驰豫吸收理论与仿真分析 8

2.1 气体状态方程 8

2.2 气体在声波扰动下的声波方程 8

2.3 气体声衰减 9

2.3.1 气体经典声衰减 9

2.3.2 气体弛豫声衰减 10

2.3.3 声衰减系数和有效弛豫频率 11

2.4 气体分子碰撞能量的转移理论 11

2.5 气体弛豫声衰减的理论 12

2.6 气体弛豫声衰减仿真及分析 13

2.7 本章小结 15

第3章 含氢气的二元气体浓度检测方法及误差估计 16

3.1 氢气浓度的检测方法 16

3.2 实验的误差估计 17

3.3 本章小结 18

第4章 总结与展望 19

参考文献 20

致谢 21

第1章 绪论

1.1 气体声驰豫研究现状及其检测应用

气体声驰豫是气体声衰减研究中的一个重要组成部分。在气体声衰减的研究方面，由最开始的经典声衰减的逐步完善，到弛豫声衰减理论的逐步发展^[1]，已经形成了比较系统的声衰减理论体系。经典声衰减和弛豫声衰减的侧重点不一样。经典声衰减更注重于气体整体消耗的声传播的能量，在计算时考虑的是所有分子的宏观性质；弛豫声衰减则是由于单个的气体分子的内部能量与外部能量有交换，这时就会有新的平衡出现。从旧的平衡被破坏到新的平衡建立的时间被称为弛豫时间，这一个过程则被称为分子弛豫。由于外部环境已经改变，或者说存在激励的影响，分子吸收或者释放能量达到新的平衡时，其总能量与之前是有变化的。即在分子驰豫的过程中，气体分子会吸收或者释放能量，其宏观表现则是气体的温度会发生变化。

有很多的外部因素能够引发分子弛豫，例如突然改变气体的压力就会使分子外部能发生变化,加压则会使分子外部能增加^[2]。声音的传播就是靠所形成的声压产生的压力,即声音的变化也会改变部分区域气体的压力，致使气体分子外部能变化，从而导致弛豫现象的产生。