[发明专利]一种用于检测混合气体的浓度比的声学传感方法

权利要求书

1.一种用于检测混合气体的浓度比的声学传感方法，其特征在于：方法包括如下步骤：

S1：推导出弛豫强度ε和弛豫时间τ关于声波角频率ω、声速c和声弛豫吸收系数值α_r的相关公式；

S2：改变混合气体中一种或两种气体占混合气体的浓度百分比，利用点频超声波换能器检测混合物在两个频率点的声学特性值声速c和声弛豫吸收系数值α_r，并通过步骤S1得到的相关公式，直接得到对应气体的弛豫强度和弛豫时间，并绘制气体浓度百分比分别和弛豫强度和弛豫时间的倒数的相关曲线；

S3：利用超声波换能器检测待测混合物在两个频率点获得其声学特性值，并通过步骤S1得到的相关公式，得到对应气体的弛豫强度和弛豫时间的倒数，并在步骤S2得到的对应相关曲线上找到对应的浓度百分比，即得到各气体占混合气体的浓度比。

2.如权利要求1所述的一种用于检测混合气体的浓度比的声学传感方法，其特征在于：相关公式的推导过程如下：

(1)明确声弛豫吸收谱的通用表达式

声波的传播特性由有效声波数描述：

其中ω表示声波角频率，c是声速，α_r是声学弛豫吸收系数，ρ₀和p₀分别表示平衡状态的气体密度和压强，是分子弛豫的有效比热容，R是通用的气体常数，频率依赖的声弛豫吸收描述了气体弛豫过程，确定为如下表达式：

有效比热容用复数形式表示为由此，

对上述的求取平方，得到，

从而，声弛豫吸收谱的通用表示形式为：

(2)明确单一主弛豫过程的声弛豫吸收谱

单一主弛豫过程的有效比热容表示为：

其中是依赖于气体分子结构的外部比热容，C_int是与气体分子内振动模式的弛豫贡献相关的内部比热容，τ是该过程的弛豫时间，将其实部和虚部代入到声弛豫吸收谱的通用形式中，由于外部比热容远远大于内部比热容即得到：

(3)明确声弛豫吸收谱的特征参数

气体分子的弛豫过程有弛豫强度ε和弛豫时间τ来表征描述，由此，基于上述推导，明确弛豫强度的表达式为：

从而，获得由弛豫强度和弛豫时间表征得到的声弛豫吸收谱，即

(4)利用声弛豫吸收谱的特征参数进行气体识别

对于不同的混合气体，呈现出不同的声弛豫吸收谱，也就是不同的特征弛豫强度和特征时间，通过将声学弛豫吸收谱量化为这两个特征参数，提取和识别这两个参数，气体的种类和浓度获得定量的检测；

实际应用时，点频超声波换能器能够测量得到对应声波频率点上的声速c和声弛豫吸收系数值α_r，则频率点ω₁处的声弛豫吸收值为μ(ω₁)＝2πα_r(ω₁)c(ω₁)/ω₁，由此，直接测得对应的M(ω₁)为：

进而，通过点频超声波换能器，获得另一频率点ω₂处的声学特性值，直接得到对应气体的弛豫强度和弛豫时间，如下：