光声光谱检测装置中光声池的数值计算及优化

• 作者: 刘锟 曹亚南 曹渊 程刚 陈家金 高晓明
• 来源期刊: 物理学报
• 关键词: 光学 光声光谱 光声池 数值计算
• 年，卷（期）: 2019,（7）
• 所属期刊栏目: 电磁学、光学、声学、传热学、经典力学和流体动力学
• 页码范围: 133-143
• 页数: 11页
• 字数: 5722字
• 语种: 中文
• DOI: 10.7498/aps.68.20182084

摘要

利用光声光谱技术进行痕量气体的检测具有独特的优势,光声池是系统装置中最为重要的核心部件,它决定着整机性能的优劣.以一圆柱形共振型光声池为研究对象,基于声学与吸收光谱学的基本理论,建立了光声池声场激发的数学模型;利用数值模拟方法对光声池空腔结构进行了声学模态仿真,获得了前8阶声学模态值以及声压可视化振型;在考虑热黏性声学损耗的作用下,对光声池进行了热-声耦合多物理场仿真计算;将仿真结果与解析计算和实验结果进行对比,明确了利用数值模拟方法来计算光声池有关指标的可靠性与可行性;针对光声池的优化问题,提出了一种将响应面代理模型与遗传算法相结合的优化算法,在将原光声池中的谐振腔两端形貌更改为喇叭口形的情况下,通过优化算法获得了以光声池品质因数Q及池常数Ccell为最大值寻优的Pareto最优解集;选取一组解进行考察,结果表明,代理模型预测值与数值模拟值指标最大误差仅为1.3％,优化后的新型光声池Q较之前增长了48.9％,Ccell增长了34.4％.研究方法可为光声光谱中光声池的优化设计提供参考借鉴.