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声弛豫过程影响下的气体平衡态热容合成方法及其在气体检测中的应用

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声学学报 2020年第3期45卷 394-403页

作者：张克声张向群邵芳贵州理工学院电气与信息工程学院贵阳550003 华中科技大学电子信息与通信学院武汉430074 贵州理工学院机械工程学院贵阳550003

声扰动形成的分子振动弛豫过程使得气体热容成为依赖于声频率的有效热容,导致随频率变化的声速频散和声弛豫吸收。本文基于单弛豫过程合成算法,提出一种基于两频点声速和声吸收测量值的气体平衡态热容合成方法。该方法两个测量声频点只... 详细信息

声扰动形成的分子振动弛豫过程使得气体热容成为依赖于声频率的有效热容,导致随频率变化的声速频散和声弛豫吸收。本文基于单弛豫过程合成算法,提出一种基于两频点声速和声吸收测量值的气体平衡态热容合成方法。该方法两个测量声频点只需在声弛豫吸收显著的频率范围即可分别合成可激发气体分子内外自由度热容,并有效消除声弛豫过程对气体平衡态热容测量结果的影响。对于室温下由CO2、CH4、Cl2、N2和O2组成的多种气体,合成的气体热容值与基于Planck-Einstein公式的热力学理论计算结果相符,相比实验数据最大相对误差为3.51%。合成的转动和振动热容还可应用于气体分子几何结构、振动频率大小和混合气体摩尔分数的检测。

关键词：弛豫过程吸收系数气体分子背景气体摩尔分数平衡态混合气体合成方法气体检测

非线性声波方程二次谐波高阶近似解及实验验证

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声学学报 2021年第4期46卷 633-640页

作者：张世功张克声丁凯吴先梅贵州理工学院贵阳550003 近地面探测技术重点实验室无锡214035 贵州省医工交叉工程研究中心贵阳550003 中国科学院声学研究所北京100190

非线性声波方程的传统二次谐波二阶近似解不够精确,对测量材料的非线性系数造成较大误差.利用摄动法展开非线性声波方程得到一系列非齐次偏微分方程,根据低阶解的性质拟定高阶特解的形式,通过符号计算求出高次谐波特解,对所有二次谐波... 详细信息

非线性声波方程的传统二次谐波二阶近似解不够精确,对测量材料的非线性系数造成较大误差.利用摄动法展开非线性声波方程得到一系列非齐次偏微分方程,根据低阶解的性质拟定高阶特解的形式,通过符号计算求出高次谐波特解,对所有二次谐波成分求和最终获得二次谐波的高阶近似解。在水中开展非线性声学实验验证高阶近似解,结果表明:二次谐波相对幅度随传播距离和输入信号均呈现先增加后减小的趋势,高阶近似解即使在传播距离不太短和输入信号不太弱的宽泛条件下也能更好地吻合实验结果。得到的高阶近似解不仅弥补了现有二次谐波幅度理论公式的不足,进行非线性声学实验时还可扩展测量范围,充分利用实验数据也能提高非线性系数的测量精度。

关键词：二次谐波非线性声学声波方程符号计算偏微分方程二阶近似摄动法非线性系数

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智能天线数字波束形成技术研究

智能天线数字波束形成技术研究

作者：张克声华中科技大学

学位级别：硕士

伴随着人们对在全球范围内实现随时随地的移动通信的愿望,无线通信业务需求量正急剧增长,频谱资源已成为越来越宝贵的资源。为了在有限的频带上容纳更多的用户,有很多技术被提出来,其中一个研究热点就是智能天线。智能天线结合了天线... 详细信息

伴随着人们对在全球范围内实现随时随地的移动通信的愿望,无线通信业务需求量正急剧增长,频谱资源已成为越来越宝贵的资源。为了在有限的频带上容纳更多的用户,有很多技术被提出来,其中一个研究热点就是智能天线。智能天线结合了天线阵列技术与信号空时处理,在系统设计中增加了空时处理的自由度,改善了系统性能,增加了系统容量及频谱利用率。智能天线采用空分多址,利用信号在传播方向上的差别,可以将同频率、同时隙和同码道的信号区分开来,从而可以成倍地扩展通信容量。所谓空分多址的一个重要部分便是波束形成,智能天线系统可以利用阵列天线技术实现自适应波束形成,低副瓣波束形成以及多波束形成,其中多波束形成技术可以在同一信道中同时给多个用户发送不同的信号来提高通信用户容量。本文首先介绍智能天线的动态、研究背景和基础理论,然后对基于软件无线电的智能天线进行讨论,并给出一种基于软件无线电的智能天线的实现方案。最后,详细研究了智能天线波束形成的两方面内容:一是智能天线下行数字多用户波束形成技术,该技术可利用用户的空间方位差异,通过优化设计保证每个用户只接收到天线阵发给自己的下行信号而不受同一信道中发给其它用户信号的干扰。文中给出一种发射多用户波束优化设计的方案,并仿真证明了此方案可在同信道干扰可控的条件下实现空分复用;二是阵列天线自适应波束形成技术,即利用数字信号处理技术使天线主波束对准用户信号到达方向,旁瓣或零陷对准干扰信号到达方向,达到充分利用用户信号并抑制干扰信号的目的。文中特别对基于CDMA系统扩频信号的几种自适应算法进行详细的介绍和分析,并对最小二乘解扩重扩多目标恒模算法的自适应波束形成进行了仿真。

关键词：智能天线数字波束形成自适应算法软件无线电码分多址

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混合气体声复合弛豫频谱的解析模型

物理学报 2012年第17期61卷 321-331页

作者：张克声王殊朱明胡轶贾雅琼华中科技大学电子与信息工程系武汉430074

为研究声传播和分子多模式振动能量弛豫的相互关系,本文提出了一种混合气体声复合弛豫频谱的解析模型.该模型从振动模式微观能量转移及其耦合形成宏观弛豫过程两个角度,分析了依赖于声频率的混合气体有效热容.并通过求解振动模式能量转... 详细信息

为研究声传播和分子多模式振动能量弛豫的相互关系,本文提出了一种混合气体声复合弛豫频谱的解析模型.该模型从振动模式微观能量转移及其耦合形成宏观弛豫过程两个角度,分析了依赖于声频率的混合气体有效热容.并通过求解振动模式能量转移的通用弛豫方程,最终得到可同时体现主副弛豫过程的声弛豫吸收和声频散的解析结果.仿真结果表明,对于CO2,CH4,N2和O2组成的多种混合气体,该模型的声吸收谱与实验数据相符,峰值误差在1%以内,且反映了多振动模式形成的声复合弛豫吸收谱上通常仅会显现1—2个吸收波峰的物理现象.与已有模型相比,本解析模型可直接求出混合气体声弛豫频谱上特征点的解析形式,并利于对其进行定性定量分析.从而为研究声传播特性与气体分子弛豫特性的相互关系提供了一个有效理论模型.

关键词：气体弛豫声频谱声吸收有效热容

气体声弛豫过程中有效比热容与弛豫时间的分解对应关系

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物理学报 2012年第9期61卷 339-346页

作者：贾雅琼王殊朱明张克声袁飞阁华中科技大学电子与信息工程系武汉430074 湖南工学院电气与信息工程系衡阳421002

声在多原子分子气体中传播所引起的弛豫过程是探索气体特性的重要方面.本文通过研究气体声弛豫过程中振动自由度与平动自由度(V-T)以及振动自由度之间(V-V)的分子能量转移模型,给出了有效比热容与弛豫时间的分解对应关系及其通用获得方... 详细信息

声在多原子分子气体中传播所引起的弛豫过程是探索气体特性的重要方面.本文通过研究气体声弛豫过程中振动自由度与平动自由度(V-T)以及振动自由度之间(V-V)的分子能量转移模型,给出了有效比热容与弛豫时间的分解对应关系及其通用获得方法.该分解模型与现有的声弛豫模型相比,反映了分解后的V-T和V-V弛豫过程中振动比热容与弛豫时间的对应关系,并发现了较高能级是引起对应声弛豫过程的决定因素.将基于该分解模型获得的气体声弛豫衰减谱经碰撞直径微调改进后,比现有理论更接近实验数据,其结果证明了该分解对应关系的正确性和合理性.

关键词：气体声弛豫过程有效比热容弛豫时间

基于声吸收谱峰值点的天然气燃烧特性检测理论

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物理学报 2015年第5期64卷 226-233页

作者：张克声陈刘奎欧卫华蒋学勤龙飞贵州理工学院信息工程学院贵阳550003 重庆科技学院电气与信息工程学院重庆404100 贵州师范大学数学与计算科学学院贵阳550001 贵州大学智能信息处理研究所贵阳550025

天然气的成分构成会随产地来源变化而不同,使其具有不同的燃烧特性和经济价值.本文利用声吸收谱峰值点随气体成分变化而改变的声分子弛豫现象,提出一种天然气燃烧特性检测理论.它基于两频点上声测量值可合成声吸收谱峰值点,且依赖于频... 详细信息

天然气的成分构成会随产地来源变化而不同,使其具有不同的燃烧特性和经济价值.本文利用声吸收谱峰值点随气体成分变化而改变的声分子弛豫现象,提出一种天然气燃烧特性检测理论.它基于两频点上声测量值可合成声吸收谱峰值点,且依赖于频率的声吸收谱可由峰值点重建的物理原理;可利用峰值点对应的特征量——弛豫频率和弛豫吸收最大值与气体成分的关系,从两个维度同时定量检测天然气成分.该理论避免了传统上测量声吸收谱峰值点方法需要不断改变气体腔体压强的问题,还具有无需测量气体密度的优点.

关键词：分子弛豫气体检测声吸收谱声传感器

可激发气体振动弛豫时间的两频点声测量重建算法

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物理学报 2016年第13期65卷 172-180页

作者：张克声朱明唐文勇欧卫华蒋学勤贵州理工学院信息工程学院贵阳550003 华中科技大学电子信息与通信学院武汉430074 贵州师范大学大数据与计算机科学学院贵阳550001

振动弛豫时间是可激发气体分子内外自由度能量转移速率的宏观体现,它决定了声吸收谱峰值点对应的弛豫频率.本文给出了等温、绝热定压和绝热定容三种不同热力学过程下振动弛豫时间的相互关系;基于Petculescu和Lueptow[2005 ***.94 238301... 详细信息

振动弛豫时间是可激发气体分子内外自由度能量转移速率的宏观体现,它决定了声吸收谱峰值点对应的弛豫频率.本文给出了等温、绝热定压和绝热定容三种不同热力学过程下振动弛豫时间的相互关系;基于Petculescu和Lueptow[2005 ***.94 238301]的弛豫过程合成算法,推导了单一压强下两频点声测量值的弛豫时间重建算法.该算法可应用于等温、绝热定压、绝热定容弛豫时间和弛豫频率的重建测量,并避免了弛豫时间传统声测量方法需要不断改变气体腔体压强的问题.仿真结果表明,对于室温下CO_2,CH_4,Cl_2,N_2和O_2组成的多种气体,重建的弛豫时间和弛豫频率与实验数据相符.

关键词：弛豫时间声弛豫吸收弛豫过程弛豫频率

Decoupling multimode vibrational relaxations in multi-component gas mixtures: Analysis of sound relaxational absorption spectra

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Chinese Physics B 2013年第1期22卷 328-337页

作者：张克声王殊朱明丁毅胡轶 Department of Electronics and Information Engineering Huazhong University of Science and Technology

Decoupling the complicated vibrational-vibrational （V-V） coupling of a multimode vibrational relaxation remains a challenge for analyzing the sound relaxational absorption in multi-component gas mixtures. In our previous work [Acta Phys. Sin. 61 174301 （2012）], an analytical model to predict the sound absorption from vibrational relaxation in a gas medium is proposed. In this paper, we develop the model to decouple the V-V coupled energy to each vibrationaltranslational deexcitation path, and analyze how the multimode relaxations form the peaks of sound absorption spectra in gas mixtures. We prove that a multimode relaxation is the sum of its decoupled single-relaxation processes, and only the decoupled process with a significant isochoric-molar-heat can be observed as an absorption peak. The decoupling model clarifies the essential processes behind the peaks in spectra arising from the multimode relaxations in multi-component gas mixtures. The simulation validates the proposed decoupling model.

关键词： vibrational relaxation sound absorption vibrational-vibrational coupling decoupled singlerelaxation process

可激发气体分子声弛豫过程振动模式能量转移速率计算

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声学学报 2018年第3期43卷 399-409页

作者：张克声张向群唐文勇肖迎群蒋学勤贵#I~T-学院电气与信息工程学院贵阳550003 华中科技大学电子信息与通信学院武汉430074 贵州理工学院大数据学院贵阳550003

研究可激发气体中振动模式能量转移速率和声弛豫过程形成的关系,将单一气体Tanczos弛豫方程理论[***.25,439（1956）]扩展应用于混合气体中振动模式的振动-振动（V-V）和振动-平动（V-T）能量转移速率的计算。在室温下CO2,CH4,CL2,N2和O... 详细信息

研究可激发气体中振动模式能量转移速率和声弛豫过程形成的关系,将单一气体Tanczos弛豫方程理论[***.25,439（1956）]扩展应用于混合气体中振动模式的振动-振动（V-V）和振动-平动（V-T）能量转移速率的计算。在室温下CO2,CH4,CL2,N2和O2组成的多种混合气体中,振动模式能量转移速率的计算结果表明：对于多个振动模式所形成的声复合弛豫过程,各振动模式的声激发能可由V-V能量转移相互耦合后传递给具有最快V-T转移速率的最低振动频率振动模式,再通过该振动模式的V-T转移退激发形成主弛豫过程。这种选择最快转移路径的声激发量弛豫方式,造成了大多数可激发气体中声弛豫吸收谱的实测数据只存在一个吸收峰的现象。从而提供了一个可通过计算微观振动能量转移速率分析混合气体声弛豫过程形成机理的理论模型。

关键词：振动模式弛豫过程能量转移转移速率气体分子计算结果激发能混合气体