Page 186 - 《应用声学》2024年第6期

1362 2024 年 11 月

∑ −1
◦
◦
其中，M = x i M i , (i = 1, 2, 3, · · · , n) 为混合空 为 0.05 ms /0.1 C。可见温度下降 0.1 C，声速
i
气摩尔质量；γ 混合空气比热比；B 为实际空气的第 变化量相当于标准空气 CO 2 浓度增长一倍的效果。
∑ ∑
二维里系数，即B(T) = x i x j B ij (T)，i, j = 显然，声速计算成分浓度时，必须排除温度因素的
i j
1, 2, 3, · · · , n 且 B ij (T) = B ji (T)；x 1 , x 2 , · · · , x n 分 影响。
别代表空气中第一种成分摩尔浓度，· · · ，第 n 种成 图 2 为在 20 C、标准大气压下，标准空气分
◦
分摩尔浓度。 别与 CO 2 、NO 2 混合形成的二元气体的声速曲线。
图 1 为 20 C、标准大气压 103.25 kPa 下，根 图 2(a)中CO 2 浓度为500×10 −6 时声速为343 m/s，
◦
据公式 (4) 计算得到的湿度 RH、CO 2 浓度和温度 随着浓度增长到 4500×10 −6 达到重污染程度，声速
变化对声速的影响。由图 1(a) 可见，CO 2 的气体 仅下降 0.3 m/s，变化较小；图 2(b) 中 NO 2 浓度从
3
3
浓度越大声速越低，当湿度 RH 为 90%、CO 2 浓度 0.1 mg/m 增加到 0.8 mg/m 时声速变化也很小，
从 1000×10 −6 到 4000 × 10 −6 时，声速从 344.4 m/s 仅下降 0.04 m/s；而实际上空气中 NO 2 浓度通常小
3
降低到 344.1 m/s；而相对湿度 RH 越大声速越高， 于 0.1 mg/m ，其声速变化量级达到 10 −3 以下。可
CO 2 浓度为 4000 × 10 −6 时，RH 从 0% 变化到 90%， 见即便是温度或大气压的微扰对声速的影响都显
声速从 343.1 m/s 上升到 344.1 m/s，说明湿度 RH 著大于气体成分波动引起的声速的变化。
对声速改变大于CO 2 的影响。图1(b)为标准大气压 343.1
103.25 kPa下，温度和CO 2 浓度变化对声速的影响。 343.0
342.9
图中温度为30 C时，空气中 CO 2 浓度在 500×10 −6 342.8
◦
的声速最大，接近 350 m/s，随着 CO 2 浓度增加到 ܦᤴ/(mSs -1 ) 342.7
342.6
4000×10 −6 以上，声速下降，仅为 0.5 m/s，下降 342.5
率约 0.05 ms −1 /400×10 −6 。若 CO 2 浓度保持不变， 342.4
342.3
25 C 时空气声速下降到 346 m/s 附近，下降率约 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500
◦
CO 2ไए/T10 -6
(a) ܦᤴ-CO 2ไएԫӑТጇ
343.11
344.5 343.10
ܦᤴ/(mSs -1 ) 344.0 ܦᤴ/(mSs -1 ) 343.09
343.08
343.5
343.07
343.0 343.06
6000 343.05
4000 60 90 100
2000 20 40 343.04
0 0 ຳएRH/% 100 200 300 400 500 600 700 800
̄තӑᇏ/T10 -6
NO 2 ไए/(mgSm -3 )
(a) CO 2 ไए֗ຳएԫӑ
(b) ܦᤴ-NO 2ไएԫӑТጇ
图 2 空气中成分浓度变化对声速影响
350 Fig. 2 The effect of CO 2 concentration or NO 2
ܦᤴ/(mSs -1 ) 345 concentration on the speed of sound in the air

340
上述理论计算表明温度、大气压和湿度对空气
335
330 声速影响很大，这些参数的轻微变化对声速的改变
6000
4000 25 30 都会干扰空气成分浓度精确测量和计算。
20
2000 15
10
0 5 ພए/C
̄තӑᇏ/T10 -6
2 空气成分波动的自监督学习方法
(b) ພए֗CO  ไएԫӑ
同一区域空气成分通常比较稳定，除温度外，
图 1 空气中 CO 2、湿度和温度对声速的影响
Fig. 1 Influence of CO 2, temperature and relative 一般声速变化主要考虑 CO 2 浓度和湿度的影响 [1] 。
humidity on the speed of sound in air 由于室内空气扩散流动较慢，空气中成分浓度变化