[发明专利]测量声速的方法及装置

说明书

技术领域

本发明涉及声速的测量技术，具体为一种测量声速的方法及装置。

背景技术

气体中的声速与气体的成分有很大的关系，例如在空气下声速为340m/s，但在He下声速却高达972m/s。而基于光声光谱的气体传感器是建立在气体吸收光后，对释放的微弱声音的测量上，通常的光声光谱会使用一个声音共振腔，被测的微弱声音信号的半波波长与这个声音共振腔长度相等，因此声波能够在腔中形成驻波，使检测的微弱声波进一步增强。但在复杂的气体成分下，声速的变化能够导致声波波长剧烈变化，从而使声音共振腔长度与声波的半波波长不匹配，灵敏度也发生变化，这时对被测气体内的声速监测是必须的。

传统的声速测量方法有共振干涉法和相位比较法，前一种是在声波发生装置和声波接受装置之间产生驻波，通过测量驻波两个波腹或波节之间的距离获得波长信息，再计算出声速；后一种是改变发射波和接收波之间的相位差，通过在示波器上观察李萨如图形的周期变化来确定波长。这两种方法需要改变声波发生装置和声波接受装置之间的距离，都有活动的机械装置存在，仪器结构复杂且体积较大，在测量过程中需要人为的参与，操作繁琐自动化程度不高，不能满足实际需要。

发明内容

本发明为解决目前的现有声速测量仪器和方法操作繁琐、测量精度较差、需要人工干预以及无法实现实时在线测量的技术问题，提供一种测量声速的方法及装置。

本发明是采用以下技术方案实现的：一种测量声速的方法，包括以下步骤：（a）将频率为f_i的正弦声波从充满特定气体的长度为l的声波导管的前端输入，记录该声波在声波导管后端与前端之间的位相差φ_i，所述位相差φ_i的表达式为φ_i=2π，式中v_s为声波在这种气体中的传播速度，b为常数；（b）改变声波的频率，再测定至少一组f_i~φ_i的值；（c）根据所得到的至少两组f_i~φ_i数值采用线性拟合方法计算出φ_i=2π的斜率2π的值，就得到了声波在该种气体中的传播速度v_s。

声速v_s与波长λ和频率f的关系为：v_s=λf，当声波导管内产生频率为f₁的正弦声波时，声波导管内正弦声波的周期数为：N₁=，导管后端口与前端口的位相差可表示为φ_i=2πN₁+b=2π，对于频率为f₂的声波，声波导管内正弦声波的周期数为：N₂=，导管后端口与前端口的位相差可表示为φ₂=2πN₂+b=2π，两式相减得到Δφ=2π（N₁-N₂）=Δf，其中Δφ=φ₂-φ₁，Δf=f₂-f₁，消去了常数b，这样就可以计算出斜率2π的值，进而就可以得到声速v_s的值。测量中为了得到更为准确的v_s值，一般会测定多组f_i~φ_i，并采用线性拟合的方法定出斜率2π的值，然后计算出v_s的值，所述的线性拟合的方法为本领域技术人员的公知常识，有多种计算方法可供选择。