引用本文
靳华伟, 王浩伟, 罗平, 方磊. 两级缓冲式光声池仿真设计及性能分析[J]. 光谱学与光谱分析, 2023,43(8): 2375-2380.
JIN Hua-wei, WANG Hao-wei, LUO Ping, FANG Lei. Simulation Design and Performance Analysis of Two-Stage Buffer Photoacoustic Cell[J]. Spectroscopy and Spectral Analysis, 2023,43(8): 2375-2380.
Doi:10.3964/j.issn.1000-0593(2023)08-2375-06  
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两级缓冲式光声池仿真设计及性能分析
靳华伟1,2,3, 王浩伟1,2, 罗平1,2, 方磊1,2
1.安徽理工大学机械工程学院, 安徽 淮南 232001
2.安徽理工大学环境友好材料与职业健康研究院(芜湖), 安徽 芜湖 241003
3.中国科学院安徽光学精密机械研究所环境光学与技术重点实验室, 安徽 合肥 230031

作者简介: 靳华伟, 1986年生, 安徽理工大学机械工程学院副教授 e-mail: hwjin@mail.ustc.edu.cn

收稿日期: 2021-11-03 修回日期: 2023-01-31 接受日期: 2023-01-31
基金: 安徽省高校自然科学研究重大项目(KJ2021ZD0052), 安徽理工大学环境友好材料与职业健康研究院研发专项基金项目(ALW2020YF17)资助
摘要

光声池是发生“光-热-声”耦合的场所, 光声池性能的优劣直接影响检测系统的精度与灵敏度。 为了提高光声池的性能, 在传统圆柱形光声池的基础上, 提出了一种两级缓冲式光声池。 利用COMSOL软件中热粘性声学物理场接口仿真分析了缓冲隔板高度及缓冲隔板数量对光声池内声场的影响规律。 结果表明, 光声池的共振频率随缓冲隔板数量和高度的增大而减小。 当缓冲隔板的数量固定, 缓冲隔板高度 H大于11 mm时, 光声池的共振频率随缓冲隔板高度的增加而急剧减小。 在光声池共振频率要求范围内, 共振频率的减小有利于光声信号幅值的提高; 当缓冲隔板的高度固定时, 光声池的声压随缓冲隔板数量的增加而减小; 当缓冲隔板高度在0~11 mm之间时, 声压值保持相对稳定; 当缓冲隔板高度大于11 mm时, 声压值随缓冲隔板高度的增加而急剧减小。 流场方面, 通过在缓冲腔内设置缓冲隔板可减小左侧缓冲腔内的速度梯度。 一级缓冲方式虽可一定程度减小速度梯度, 但在缓冲隔板处出现速度波动, 而两级缓冲方式不仅减小了光声池内的速度梯度, 而且使气体流速更加平稳。 考虑到光声信号幅值、 声压及光声池内速度梯度等指标, 选用缓冲隔板高度为11 mm, 缓冲隔板数量为2。 基于所给最优参数的两级缓冲式光声池, 仿真及实验结果表明: 所设计的两级缓冲式光声池和同尺寸的圆柱形光声池相比, 声压由3.34×10-5降低为3.32×10-5, 本底噪声由(2.83±0.11) μV降低为(1.26±0.03) μV, 共振频率由1 344 Hz降低为1 299 Hz。 虽声压减小了1.2%, 但声噪比提高了2.22倍, 且共振频率在满足要求的范围内降低了3.3%, 使光声信号幅值得到一定程度提升。 整体来说, 两级缓冲式光声池稳定了气体流动噪声, 减小了流动噪声的波动幅度, 为光声池优化设计提供了一种新的思路。

关键词: 光声光谱; 光声池; 有限元分析; 优化设计
中图分类号:O433.1 文献标志码:A
Simulation Design and Performance Analysis of Two-Stage Buffer Photoacoustic Cell
JIN Hua-wei1,2,3, WANG Hao-wei1,2, LUO Ping1,2, FANG Lei1,2
1. School of Mechanical Engineering, Anhui University of Science and Technology, Huainan 232001, China
2. Institute of Environment-friendly Materials and Occupational Health of Anhui University of Science and Technology (Wuhu), Wuhu 241003, China
3. Key Laboratory of Environmental Optics & Technology, Anhui Institute of Optics and Fine Mechanics, Chinese Academy of Sciences, Hefei 230031, China
Abstract

The photoacoustic cell is where the “light heat sound” coupling occurs. The performance of photoacoustic cells directly affects the accuracy and sensitivity of the detection system. In order to improve the performance of photoacoustic cells, a two-stage buffer photoacoustic cell is proposed based on the traditional cylindrical photoacoustic cell. Through the simulation of the thermal viscous acoustic physical field interface in COMSOL software, the effects of the height and number of buffer partitions on the sound field in the photoacoustic cell are analyzed.The results show that the resonance frequency of the photoacoustic cell decreases with the increase in the number and height of buffer partitions. When the number of buffer partitions is fixed, the height of the buffer partition is greater than 11mm, and the resonance frequency of the photoacoustic cell decreases sharply with the increase of the height of the buffer partition. In the required range of photoacoustic cell resonance frequency, the decrease of the resonance frequency is conducive to the increase of photoacoustic signal amplitude; When the height of the buffer partition is fixed, the sound pressure of the photoacoustic cell decreases with the increase of the number of buffer partition; When the height of the buffer partition is between 0 and 11mm, the sound pressure value remains relatively stable; When the height of the buffer partition is greater than 11mm, the sound pressure decreases sharply with the increase of the height of the buffer partition. Regarding flow field, the velocity gradient in the left buffer cavity can be reduced by setting a buffer partition in the cavity. Although the one-stage buffer can reduce the velocity gradient to a certain extent, there is velocity fluctuation at the buffer partition. The two-stage buffer reduces the velocity gradient in the photoacoustic cell and makes the gas flow more stable. Considering the photoacoustic signal amplitude, sound pressure and velocity gradient in the photoacoustic cell, the height of the buffer partition is 11mm and the number of buffer partitions is 2.Based on the optimal parameters given, the simulation and experimental results show that the sound pressure of the two-stage buffer photoacoustic cell is 3.34×10-5 compared with the cylindrical photoacoustic cell of the same size reduced to 3.32×10-5, background noise from (2.83±0.11) μV decreases to (1.26±0.03) μV. The resonance frequency is reduced from 1 344 to 1 299 Hz. Although the sound pressure is reduced by 1.2%, the sound-to-noise ratio is increased by 2.22 times, and the resonance frequency is reduced by 3.3% within the range meeting the requirements so that the amplitude of the photoacoustic signal is improved to a certain extent. Overall, the two-stage buffer photoacoustic cell stabilizes the gas flow noise and reduces the fluctuation range of the flow noise. The proposed two-stage buffered photoacoustic pool provides a new idea for the optimal design of a photoacoustic pool.

Keyword: Photoacoustic spectroscopy; Photoacoustic cell; Finite element analysis; Optimal design
引言

光声光谱技术因其具有高选择性、 高灵敏度、 连续可靠、 及低成本等优点, 目前已被广泛应用于环境光学检测[1, 2, 3]、 医疗呼吸气体分析[4, 5]、 工业设备故障诊断[6, 7]等领域。 其中, 光声池是发生光声耦合的场所, 作为光声光谱检测系统的重要组成部件之一, 对光声池的优化探索已成为一个热点方向。 主要有T型光声池[8]、 亥姆霍兹型光声池[9]及传统圆柱形光声池[10]。 因传统圆柱形光声池结构简单、 易于加工与理论公式推导认为能实现对声信号的放大而被广泛采用。 同时, 国内外众多学者针对圆柱形光声池的优化设计做出了诸多探索研究。 如李泽昊等[11]设计了一种母线为双曲线的曲体束腰型光声池, 通过对母线离心率的优化发现, 当离心率为5时, 光声池的品质因数可达128.9。 程刚等[12]提出了一种阶梯复合型光声池, 该光声池的体积不仅缩小为对应圆柱形光声池的39.7%, 而且光声信号提升了约18.7%, 既实现了光声池的小型化又提高了光声信号。 程刚等[13]采用3D打印技术与光声光谱技术相结合的方法, 探究了8种不同截面形状的光声池结构对光声池性能的影响, 得出结论认为圆形光声池性能最优。 赵南等[14]通过有限元分析软件仿真设计了一种圆角连接光声池, 该光声池相比于同参数下的直角光声池品质因数提高了1.109倍, 声压提高到1.26× 10-5。 张楚[15]等提出一种椭球形共振光声池, 对其性能测试结果表明, 该光声池信噪比为34, 品质因数为45.5, 灵敏度为1.47× 10-9。 以上对光声池的探讨都是在传统圆柱形光声池的基础上进行的优化或设计。 为了满足实际应用对光声池性能的要求, 诸多非规则形状的光声池被提出。 如Jiao[16]设计了一种球形光声池检测微量CH4气体, 其最低检测限为126.9 ppb。 Gong[17]设计了一种T型半开放式共振光声池, 该光声池对C2H2的最低检测限为0.7 ppb。 Ulasevich[18]提出了一种共振频率为32.9 kHz, 品质因数为16.3的微型香蕉型光声池, 并对其性能进行了评估。 Liu[19]等设计了一种具有三个谐振腔的光声池, 可同时同步实现对三种微量气体的检测, 对水蒸气、 CH4、 CO2的最低检测限分别达到0.2、 12和0.1 ppm。

上述研究提高了光声池的性能, 为光声光谱检测技术的发展起到了强有力的推动作用。 但从应用角度而言, 因传统圆柱形光声池具有易加工等诸多优势而广泛应用, 故对传统圆柱形光声池的优化设计仍需不断深入。 为此, 在传统圆柱形光声池的基础上, 提出了两级缓冲式光声池, 仿真分析了缓冲隔板高度与数量对光声池性能的影响, 并给出了一组两级缓冲式光声池参数, 并对其性能进行了仿真和实验分析。

1.基本原理

传统圆柱形光声池为共振式光声池, 由一个谐振腔和两个对称的缓冲腔组成, 其基本结构如图1所示, 表1给出了一组传统圆柱形光声池结构参数。 共振式光声池具有放大声信号的作用, 当激光器的调制频率为光声池的共振频率时, 在谐振腔内即会产生声学共振, 从而将谐振腔内的声信号放大数倍。 因此, 共振式光声池被广泛应用于光声光谱检测技术中。 当待测气体分子进入光声池内, 吸收特定波长特定频率的调制光能, 使气体分子从低能态跃迁到高能态, 到达高能态的气体分子通过分子间相互碰撞的形式由高能态回到低能态, 这个过程伴随着高能态分子将光能转化为气体分子的动能, 从而导致密闭的光声池内温度升高, 压力增大。 由于激光器的调制频率和光声池的共振频率相同, 使得光声池内压力发生同频率变化, 进而实现声学共振, 将声信号放大。 再由高灵敏度的微音器将声信号转化为电信号, 间接测地量出待测气体浓度。

图1 传统圆柱形光声池Fig.1 Conventional cylindrical photoacoustic cell

表1 光声池结构参数 Table 1 Structure parameters of photoacoustic cell

对于规则的圆柱形光声池, 其共振模式下的声压幅值可由理论公式推导得到, 而对于非规则两级缓冲式光声池在共振状态下的声压幅值则可通过多物理场仿真软件COMSOL求解。

2 实验部分
2.1 模型建立

多级缓冲式光声池就是在传统圆柱形光声池的缓冲腔内设置多块缓冲隔板, 以两级缓冲式光声池为例, 其结构简图及三维图如图2所示。 多级缓冲式光声池的主要设计参数有: 缓冲隔板数量N和缓冲隔板高度H, 设定缓冲隔板的厚度为1 mm。 在光声光谱检测技术中, 通常以加大进气流速方式来缩短待测样气在光声池内的浓度平衡时间, 以提高光声系统的动态响应速度。 然而过大的进气流速会在光声池中造成较大的流动噪声, 从而影响到光声系统的信噪比。 在缓冲腔中设置缓冲隔板一定程度上可改善光声池内的流场分布及抑制光声池中流动噪声的传播。 故可以预见, 通过设置合适的缓冲隔板高度与数量可减小流动噪声。

图2 两级缓冲式光声池
(a): 结构简图; (b): 三维图Fig.2 Two-stage buffer photoacoustic cell
(a): Structure diagram; (b): Three-dimensional diagram

2.2 声场仿真分析

2.2.1 缓冲隔板高度影响分析

以表1所给光声池结构参数为例, 探究缓冲隔板数分别为1、 2、 3、 4时, 缓冲隔板高度对光声池内声场的影响规律。 缓冲隔板在缓冲腔内均匀分布, 缓冲隔板的高度以公差d=3形式设置, 仿真分析得图3。 可知, 光声池的共振频率随缓冲隔板高度H的增大而减小, 且减小趋势先平缓后剧烈。 当缓冲隔板高度H≤ 11mm时, 光声池的声压值基本保持不变, 即缓冲隔板高度H对光声池声压值影响甚微; 当缓冲隔板高度H> 11 mm时, 声压值呈断崖式减小。 以上结果的原因在于, 当缓冲隔板高度H> 11mm时, 缓冲隔板的设置近似地改变了缓冲腔的长度。 可以预见, 当缓冲隔板的数量越密, 高度越高(H< 17 mm), 对声压的影响效果越明显。 综上分析, 在多级缓冲式光声池的设计上, 缓冲隔板的数量不宜过多, 缓冲隔板的高度H应不大于11 mm, 以便获得较大的声压值。

图3 缓冲隔板高度对光声池性能影响
(a): 1个缓冲隔板; (b): 2个缓冲隔板; (c): 3个缓冲隔板; (d): 4个缓冲隔板Fig.3 Effect of buffer partition height on photoacoustic cell performance
(a): 1 buffer plate; (b): 2 buffer plates; (c): 3 buffer plates; (d): 4 buffer plates

2.2.2 缓冲隔板数量影响分析

以表1所给光声池结构参数为例, 设置缓冲隔板高度H=11 mm, 仿真分析缓冲隔板数量N对光声池内声场的影响规律, 得图4。 可知光声池的声压值和共振频率随缓冲隔板数量的增加逐渐减小。 声压值总体变化很小, 光声池的谐振频率有所减小, 但仍满足光声池对谐振频率的要求(通常在1 000~2 000 Hz)。

图4 缓冲隔板数量对光声池性能影响Fig.4 Effect of number of buffer partitions on the performance of photoacoustic cell

2.3 流速仿真分析

基于表1光声池结构参数, 利用COMSOL软件的层流接口, 仿真分析无缓冲隔板、 1个缓冲隔板、 2个缓冲隔板三种情况下光声池腔内的流速情况。 在此, 对光声池模型做出适当优化处理, 忽略一些微小细节。 光声池进出气口的距离为221 mm, 进出气口的半径为5 mm, 缓冲隔板的高为11 mm。 定义: 光声池腔内介质为氮气, 温度为298.15 K, 标准大气压, 进气口流量为300 sccm, 出气口压力为0 Pa, 壁面条件设置为无滑移。 采用多物理场控制网格方式进行网格划分, 网格大小为较细化。 以光声池的轴线为流速探测路径, 流速仿真结果如图5所示。

图5 三种光声池腔内流速大小对比Fig.5 Comparison of flow velocities of three kinds of photoacoustic cell

由图5可知, 三种光声池的流速差异主要表现在左侧缓冲腔中。 气体由左侧缓冲腔进入谐振腔时, 由于气流从较宽的截面进入细小截面, 流速增加。 显然, 过大的速度梯度势必会带来剧烈的流动噪声, 并随之进入谐振腔, 进而影响到微音器对声信号的采集, 从而影响系统信噪比。 对比发现, 在缓冲腔中设置缓冲隔板可有效地减小速度梯度。 其中, 无缓冲隔板光声池速度梯度最大。 一级缓冲方式光声池虽减小了部分速度梯度, 但在缓冲隔板处存在速度起伏波动。 两级缓冲方式不但减小了速度梯度, 而且使气体流速更加平稳。 综上分析, 在谐振腔和右侧缓冲腔流速基本相同的情况下, 两级缓冲光声池的性能要优于其他两种。

3 结果与讨论

为了验证两级缓冲式光声池的性能, 对上述三种光声池进行数值模拟分析, 在共振频率、 声压及声噪比等指标上进行性能对比。 采用COMSOL软件中热粘性声学频域物理场接口, 二维轴对称方式建模, 定义光声池内部介质为空气, 温度设为293.15 K, 1个标准大气压, 在光声池内设置一个长为240 mm, 宽为2 mm的长方形区域作为激光器的等效热源, 热量的比能量设为0.1 W· kg-1, 边界条件为等温和无滑移, 采用边界层网格和自由三角形网格混合控制剖分技术, 其中谐振腔中的边界层数为10层, 边界层拉伸因子为1。 通过数值仿真计算得到三种光声池共振频率响应曲线.

如图6所示。 可见两级缓冲式光声池的共振频率为1 299 Hz, 均略小于无缓冲隔板光声池的1 344 Hz和一级缓冲方式光声池的1 320 Hz, 且两级缓冲光声池共振频率仍满足光声池的最低共振频率要求。 理论上, 光声池具有较小共振频率可以获得较大光声信号幅值。 但共振频率过低, 易受环境低频噪声干扰, 而过高共振频率会给激光器性能带来挑战, 故通常光声池共振频率在1 000~2 000 Hz之间为佳。

图6 三种光声池共振频率对比Fig.6 Comparison of resonant frequencies of three photoacoustic cells

将三种光声池频率设置为共振频率, 仿真分析声压分布, 如图7所示。 可知, 两级缓冲式光声池声压相比于无缓冲光声池声压减小了1.2%, 相比于一级缓冲式光声池声压减小了0.6%。 此处, 再次验证缓冲隔板的数量不宜过多这一推断。 从仿真结果看, 在缓冲腔中设置2个缓冲隔板对光声池的声压大小影响较小。

图7 三种光声池声压大小对比Fig.7 Comparison of sound pressures of three photoacoustic cells

在流速仿真分析的基础上, 为了进一步探究两级缓冲式光声池对流动噪声的控制效果, 将高纯N2以200 mL· min-1的流量等间隔的通入系统中, 对比无缓冲隔板、 一级缓冲方式和两级缓冲方式下的流动噪声, 大小采用均值加方差表示, 如图8所示。 由图可见, 两级缓冲式光声池稳定了气体流动噪声, 明显减小了流动噪声的波动幅度。 相比于无缓冲隔板和一级缓冲方式, 两级缓冲的流动噪声方差减小了一个数量级, 效果较好。 其中, 一级缓冲方式流动噪声幅值及波动大小为(3.13± 0.10) μ V, 无缓冲隔板流动噪声幅值及波动大小溪(2.83± 0.11) μ V。 造成这一结果的原因可能是, 一级缓冲方式光声池中缓冲隔板处存在较大的速度起伏波动(见图5)。 为了量化各光声池声压和流动噪声比值的大小, 引入声噪比φ , 显然声噪比φ 值越大, 表示光声池的性能越优, 定义声噪比φ 的表达式为

φ=光声池声压值光声池流动噪声幅值(1)

图8 三种光声池本底噪声对比研究Fig.8 Comparative study on background noise of three photoacoustic cells

通过仿真分析及实验测量, 得表2三种光声池性能指标。 由表2可知, 两级缓冲光声池的声压比无缓冲光声池声压小1.2%, 比一级缓冲光声池声压小0.6%, 幅度不大。 而两级缓冲式光声池的声噪比相比于无缓冲光声池增大2.22倍, 相比于一级缓冲式光声池增大2.47倍, 且共振频率在要求范围内小幅降低, 使光声信号幅值得到提升。 综上, 所设计的两级缓冲式光声池性能要优于同尺寸下的传统圆柱型光声池, 为降低光声池的噪声, 提高光声池的信噪比提供了一种思路。

表2 三种光声池性能指标对比 Table 2 Comparison of three kinds of photoacoustic cell performance indexes
4 结论

提出了一种两级缓冲式光声池, 仿真分析了缓冲隔板数量和高度对光声池内声场及流场的影响规律, 给出了两级缓冲式光声池的最优参数: 缓冲隔板数量N=2, 缓冲隔板高度H=11 mm。 研究表明: 在缓冲腔中设置缓冲隔板可减小速度梯度, 使气体流速更加平稳, 进而减小气体的流动噪声, 提高系统信噪比; 两级缓冲式光声池相比传统光声池, 声压虽减小了1.2%, 但声噪比提高了2.22倍, 且共振频率在要求范围内小幅降低, 使光声信号得到加强。

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