0 引言

痕量气体检测在生态农业[1]、医疗诊断[2]、大气环境[3]等众多领域发挥着重要作用。在现有的气体检测技术中，光声光谱技术凭借其抗电磁干扰、高灵敏度、高分辨率等特性得到广泛关注。

光声光谱技术的原理是利用光波对物质产生的影响来研究物质的光学和声学特性。在光声光谱实验中，通过改变光波的波长或强度来表示光学效应，而声学效应通过物质内部产生的声波来表现。光声池是光声效应的载体，分为共振式和非共振式2种。非共振式光声池的光调制频率在几赫兹到几十赫兹之间，远低于光声池的最低共振频率，并且不会出现光声信号的共振放大、信噪比较低等情况[4]。当光调制频率等于光声池的固有频率时称为共振式光声池，这类光声池可以将产生的光声信号放大，其频率在千赫兹范围内，可以减少环境噪声和电子装置中的1f噪声的影响。2009年，PENG Y等人[5]基于共振式光声池研发了一种C2H2气体检测系统，在常温常压下的极限检测灵敏度达到了0.3 ppm；在此之后，该课题组[6]对多组分气体光声光谱的独立成分分析方法进行了研究，结合波分复用技术连续测量了H2O、C2H2、CO、CO2的混合痕量气体。2011年，陈伟根课题组[7]对一阶纵向共振光声池的特性参数进行了理论分析，发现谐振腔长为120 mm、半径为3 mm的不锈钢光声池表现出比较优越的气体响应性能，并对变压器油中溶解的C2H2进行了光声探测。2019年，程刚课题组[8]对光声池的形状进行了优化，将谐振腔的两端设计为喇叭状，减小了光束打在腔壁的噪声影响，优化后的新型光声池品质因素较之前增长了48.9%，池常数增长了34.4%。2021年，赵南等人[9]利用有限元仿真软件研究光声池几何参数的变化对其性能的影响，并设计出一种谐振腔与缓冲室为圆角连接的光声池，其品质因数提高了1.109倍，对CH4气体的极限检测灵敏度达到0.87 ppm。综上所述，当前围绕光声池的研究主要集中在气体检测系统的应用上，而有关光声池特征频率的设计和优化研究较少。因此，本文采用有限元法，以共振式光声池为例，通过控制变量研究光声池谐振腔、缓冲室的长度和半径对其特征频率、光声信号强度的影响，为设计特定频率的光声池提供思路。

3 结束语

本文通过对光声池的声学模态分析，发现在光声池的第二阶特征频率下其内部声场强度分布更集中；在有限元仿真平台利用控制变量法研究光声池参数对其特征频率和光声信号强度的影响。研究结果表明：在其它条件不变的情况下，谐振腔长度和缓冲室半径的增大都能增强光声信号的强度，而谐振腔半径的增大会减弱光声信号强度；缓冲室半径和谐振腔长度的增大都会降低光声池的谐振频率。最后，本文得出了特征频率在1 400 Hz附近的光声池最佳尺寸。