针对特定场合对光声光谱气体检测系统中光声池特征频率的设计需求，利用有限元分析法，以一阶圆柱形共振光声池为研究对象进行声学模态仿真，获得了前8阶声学模态；仿真分析谐振腔、缓冲室的半径和长度对光声池特征频率和光声信号强度的影响。仿真结果表明：当谐振腔半径为3 mm时，谐振腔长度为120 mm，缓冲室的半径、长度分别为14.7 mm、60 mm是光声池特征频率在1 400 Hz附近的最佳尺寸。

高压套管是电力系统的核心部件, 对高压套管的绝缘状态进行检测具有重要的实际意义。 由于目前常见的绝缘状态在线监测设备难以适用于安装位置特殊、 体型较小的高压套管, 研发适用于高压套管的检测系统势在必行。 相较于传统金属结构的光声池, 采用全绝缘结构光声池能够在进行原位检测时不形成悬浮电位, 从而能够规避在高压套管内引发局部放电等故障, 是对高压套管绝缘状态进行检测的理论可行方案之一。 探究了适用于高压套管检测的原位检测系统重要部件全绝缘结构光声传感器的可行性。 分别从基本原理、 仿真计算及实验验证三个方面对全绝缘结构光声池进行了分析及论证。 首先, 就光声池材料对光声信号的影响进行了理论分析, 讨论了相较于传统黄铜材料, 由绝缘材料石英制成的光声池可能存在的问题。 然后, 在此基础上采用COMSOL Multiphysics建立了共振式光声池的仿真模型并进行了声学和热学相关计算, 对理论分析的结果进行验证, 并分析了实际情况下石英光声池的理论表现。 最后, 建立基于石英光声池的光声光谱检测系统实验平台, 结合波长调制及二次谐波方法对微量乙炔气体进行定量检测, 用于对石英光声池的可行性进行验证。 仿真计算结果表明, 类似于黄铜材料, 石英材料光声池同样具备对微量气体进行定量检测的能力。 实验结果表明, 基于石英光声池的检测系统对乙炔气体的检测极限能够达到0.16 μL·L-1, 满足相关标准中油浸式电气设备对乙炔检测的需求。 因此, 以石英为材质的共振式光声池具备应用于高压套管原位检测的潜力。

基于光声光谱原理的气体浓度检测是光声技术最典型的应用。 与其他光谱气体检测方法相比, 光声气体检测技术主要具有结构简单、 探测器不受波长限制、 零背景噪声、 成本低等优点。 它在气体检测领域得到了广泛的认可和应用。 作为光声光谱气体检测系统的核心部件, 光声池的性能将直接影响系统的检测结果。 因此, 光声池的优化设计已成为该领域的研究热点。 当前, 针对光声池的优化主要是基于系统静态条件, 关于光声池腔内气体流动性能及动态时间响应的研究报道较少。 由于光声池在动态检测条件下的气体扰动及系统检测噪声具有一定影响, 因而对于光声池的相关参数进行进一步的探索与优化, 改善光声池腔内气体流场分布、 动压特性及其气体浓度平衡时间对于提升光声光谱的气体检测性能具有重要意义。 为此, 以传统的圆柱形光声池为基础, 基于三维流场数值模拟方法建立了光声池腔内流场的稳态和瞬态模拟模型, 计算获得了光声池腔内气体流场分布及其气体浓度平衡响应规律, 结果表明, 减少光声池腔内气流流速及优化光声池中的过渡结构将会改善气流引发的动压波动以及缩短腔内气体浓度调节时间。 以光声池的缓冲腔与谐振腔过渡处圆角、 辅助孔数量、 辅助孔半径、 辅助孔中心圆半径以及进气速度5个参数为因素, 以谐振腔轴线中点处动压值和气体浓度调节时间为考察指标, 采用数值模拟和正交试验设计与熵权法相结合的方法, 获得了光声池的相关参数对动压值影响的主次影响顺序为: 辅助孔半径>辅助孔数>进气速度>过渡圆角>辅助孔中心圆半径; 对调节时间影响的主次顺序依次为: 进气速度>辅助孔半径>辅助孔数=辅助孔中心圆半径>过渡圆角, 为平衡指标的影响, 将多目标参数优化问题转化成单目标优化问题, 客观地给出动压值和调节时间的权重分别为0.49、 0.51。 在研究参数范围内, 获得了其最佳参数组合为: 缓冲腔与谐振腔过渡处圆角为3.0 mm、 辅助孔数量为8个、 辅助孔半径为3.5 mm、 辅助孔中心圆半径为22.5 mm、 进气速度为0.06 m·s-1, 优化后的光声池谐振腔轴线中点处动压值为9.4×10-4 Pa, 腔内气体浓度调节时间为141 s, 相较于优化前的指标, 动压值相对降低了88.1%, 调节时间相对降低了17.5%, 两项指标均得到优化提升, 优化效果较为理想。 研究方法与结论可为光声池的优化设计和拓展研究提供重要参考。

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。

光声光谱技术具有灵敏度高、选择性好等优点，在气体检测领域中扮演着重要的角色。为了在不增加装置体积与反射镜的情况下提高光声检测性能，基于共振式光声技术，研制了一种T型光声池，该结构由内壁镀金的吸收池和声共振管组成。池体两端使用镀金盖板代替传统的窗片，光纤准直器嵌在盖板上使光束在吸收池内多次反射以增加样品气体的等效吸收路径。经数学建模、理论推导、有限元仿真和实验分析，验证了所提方式对检测性能的提高。与传统的激发方式相比，在锁相积分时间为1 s，单次检测时间为5 s的条件下，所提方式的信噪比提升了14.6倍。以此为基础，搭建了CO₂光声检测装置。实验结果表明，所设计的装置对于CO₂样品的最低检测限为15×10^-6，归一化噪声等效吸收系数为11.9×10^-9 cm^-1·W·Hz^-1/2。

基于光声光谱技术，利用有限元分析方法构建了H型差分光声池的仿真模型，并优化了池体的几何参数。在保证对噪声鲁棒性的同时，明显增大了池内声压与品质因子。将NO₂作为目标气体验证光声池的性能，使用低成本的450 nm激光二极管作为激发光源，以匹配NO₂较强的吸收谱线并避免光解。实验结果表明，光声池差分特性的检测结果与仿真结果具有一致性。在5 s的检测时间内，光声信号与不同样品体积分数之间的线性度达到了0.999，最低检测限为124×10^-12，满足大气环境中NO₂的在线检测需求。