曲体束腰型光声池的设计及性能分析

在基于光声光谱技术的痕量气体检测系统中,光声池是决定系统性能的关键部件。针对传统柱形光声池受限于形状优化参数的问题,本文提出并设计了一种母线为双曲线的曲体束腰型光声池方案,该方案创新性地引入了母线离心率参数,实现了三维立体优化。本文基于有限元分析方法,利用COMSOL软件构建模型,分析母线离心率为7.14的光声池结构,得到了该结构在热黏性损耗作用下的前八阶声学模态值以及可视化振型。仿真结果表明,所设计的光声池的品质因数高达83.3;对光声池进行形状优化,发现光声池谐振腔长度对谐振频率敏感,母线短半轴长对声压幅值敏感。通过调节母线离心率可以有效地调节谐振频率且不影响声压幅值。光声池的幅频响应特性表明,较小的离心率易激发多谐振峰,在离心率为5时,激发的第一、第二谐振峰较强,它们的品质因数分别为75.9和128.9。本研究表明,此类曲体束腰型光声池具有优良的性能及较高的可设计度,对新型光声检测技术具备多场景适应能力,具有重要的理论和工程应用价值。