Page 189 - 《应用声学》2024年第6期

第 43 卷 第 6 期 滕旭东等： 一种声速识别空气成分波动的自监督学习方法 1365

于在正常室内环境下，甲烷扩散速度较慢，故阀门关 [2] Cramer O. The variation of the specific heat ratio and the
闭后会延迟1 min，空气成分恢复基本正常。对比甲 speed of sound in air with temperature, pressure, humid-
ity, and CO 2 concentration[J]. The Journal of the Acous-
烷传感器 LEL结果，发生概率 P 准确地反映空气成
tical Society of America, 1998, 93(5): 2510–2516.
分波动情况，从开始出现甲烷到甲烷扩散以及积累 [3] Low R D H. Variations in the speed of sound due to at-
平衡，整个浓度变化过程都得到较好反映。 mospheric composition[R]. NTIS (National Technical Re-
ports Library): Acoustics , 1965, 196613: 1–13.
4 结论 [4] Petculescu A, Lueptow R M. Future trends in acoustic
gas sensing[J]. The Journal of the Acoustical Society of
America, 2005, 118(3): 1959.
空气成分变化影响声速大小，由于维里系数、 [5] Doubek M, Vacek V, Hallewell G, et al. Speed-of-
比热比等热力学参数测定困难，仅应用声速来分析 sound based sensors for environmental monitoring[C].
空气成分，特别是浓度很低的成分时会产生较大误 2016 IEEE Sensors, 2016.
[6] 阎玉舜, 陈亦娟, 汤建明. 超声分析二元混合气体浓度的理论
差。文中引入自监督数据分析思想，通过计算声速 及应用 [J]. 声学技术, 1995, 14(3): 105–108.
误差距离矩阵进行分类，确定异常声速时刻，计算发 Yan Yushun, Chen Yijuan, Tang Jianming. The theory
生概率，从而获得空气波动的开始、扩散到稳定整 and its application to analysis of binary gas concentra-
tion use ultrasonic[J]. Technical Acoustics, 1995, 14(3):
个变化过程。结合已知环境实际情况，能确定空气
105–108.
成分类型。理论和实测结果表明： [7] Davis R S. Equation for the determination of the density
(1) 针对二元混合空气，理论上可以较精确地 of moist air (1981/91)[J]. Metrologia, 1992, 29(1): 67–70.
[8] Wong G S K. Approximate equations for some acoustical
计算气体浓度，但针对三元以上混合空气比较困难。
and thermodynamic properties of standard air[J]. Journal
(2) 声速变化是多个因素共同作用的结果，不一定 of the Acoustical Society of Japan, 1990, 11(3): 145–155.
是空气成分发生变化。(3) 声速理论值和实测值误 [9] 张克声, 张向群, 邵芳. 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 [J]. 声学学报, 2020,
差与空气浓度变化没有严格的线性关联，误差大不
45(3): 394–403.
代表成分波动也大。(4) 误差分布范围和其发生概 Zhang Kesheng, Zhang Xiangqun, Shao Fang. Acoustic
率能准确反映空气成分波动，不受湿度、温度和大气 method of synthesizing equilibrium beat capacities of ex-
citable gases under influence of acoustic relaxation pro-
压等因素的影响。当P 小于0.1时，空气成分发生显
cess and its application in gas detection[J]. Acta Acustica,
著变化；当 P 大于 0.3 时，空气成分变化不明显，基 2020, 45(3): 394–403.
本保持稳定。 [10] 贾雅琼. 气体超声波谱的构建及其在气体探测中的应用 [D].
武汉: 华中科技大学, 2013
实际环境中，空气成分一般相对稳定，空气成
[11] Toda H. The precise mechanisms of a high-speed ultra-
分波动的渐进过程才能真实反映出气体泄露、污染 sound gas sensor and detecting human-specific lung gas
扩散和异常气体产生等情况，不受偶然因素的影响， exchange[J]. International Journal of Advanced Robotic
Systems, 2012, 9(6): 249–249.
包括测试点距离范围和传感器种类。根据式 (4) 计
[12] 谭羽非, 吴家正, 朱彤. 工程热力学 [M]. 第六版. 北京: 中国
算声速值仅在一定温度和大气压范围内比较准确， 建筑工业出版社, 2016.
超过其适用范围则会带来较大误差，造成对空气成 [13] 吴江涛, 刘志刚. 用音速确定 HFC125 的第二维里系数和分
分波动的误判；同时自监督数据方法存在样本量选 子间势能参数 [J]. 西安交通大学学报, 2000, 34(11): 5–8, 26.
Wu Jiangtao, Liu Zhigang. Determination of the second
择问题，故每次实时处理的声速、温度、湿度和大气 virial coefficient and intermolecular potential parameters
压等采样点数也需要实验来确定。另外根据P 值确 of HFC125 from sound speed[J]. Journal of Xi’an Jiaotong
定空气成分发生波动，但不能确定具体成分或准确 University, 2000, 34(11): 5–8, 26.
[14] 肖旭, 王同, 王文博, 等. 基于多域特征提取和深度学习的声
的浓度值，需要结合环境声速及声散谱吸收系数等 源被动测距 [J]. 应用声学, 2021, 40(1): 121–130.
测量值来分析和计算，这些问题将在后续的研究中 Xiao Xu, Wang Tong, Wang Wenbo, et al. Source ranging
进一步讨论。 based on deep learning and multi-domain feature extrac-
tion: synthetic results[J]. Journal of Applied Acoustics,
20121, 40(1): 121–130.
参 考 文 献 [15] Teng X D, Zhang X, Fan Y T, et al. Evaluation of
cracks in metallic material using a self-organized data-
[1] 魏荣爵. 空气中声速的准确计算 [J]. 南京大学学报 (自然科学 driven model of acoustic echo-signal[J]. Applied Sciences,
版), 1955(1): 55–63. 2018, 9(1): 95.