Nội dung được dịch bởi AI, chỉ mang tính chất tham khảo
Nghiên cứu so sánh số về hiệu suất của các tế bào quang âm mở
Tóm tắt
Một tế bào quang âm mở có ưu điểm là không cần phải thường xuyên tháo rời và lắp ráp để nạp khí, so với dạng kín, trong khi nó cũng có nhược điểm gây ra tổn thất bức xạ âm qua các lỗ mở. Trong bài báo này, chúng tôi đã thực hiện các mô phỏng số trên ba loại tế bào quang âm mở khác nhau, bao gồm tế bào cộng hưởng hình H, tế bào cộng hưởng hình T và tế bào Helmholtz, được tạo thành bằng cách gắn một cặp phụ kiện hình ống vào cả hai lỗ mở với mục đích giảm thiểu tổn thất âm và đồng thời hiểu rõ ảnh hưởng hình học của các phụ kiện mở đến hiệu suất của chúng. Đối với nghiên cứu số, các dạng phương trình liên tục bị lệch, phương trình Navier-Stokes, phương trình năng lượng và phương trình trạng thái được giải cho yếu tố chất lượng, áp suất âm và tần số cộng hưởng để đánh giá hiệu suất. Để dự đoán tổn thất âm qua các lỗ mở, miền tính toán cho việc đo áp suất âm được mở rộng ra ngoài các tế bào. Kết quả cho thấy ảnh hưởng hình học của các phụ kiện mở đến hiệu suất thay đổi rất lớn tùy theo loại tế bào mở. Đặc biệt, tế bào mở hình H là lựa chọn mong muốn nhất trong ba loại vì có phản ứng áp suất âm cao và yếu tố chất lượng cải thiện. Chúng tôi tin rằng kết quả của nghiên cứu này sẽ giúp chúng tôi chọn loại tế bào mở phù hợp cần thiết cho nhiều ứng dụng thực tiễn.
Từ khóa
#tế bào quang âm mở #mô phỏng số #hiệu suất #tổn thất bức xạ âm #cộng hưởngTài liệu tham khảo
A. G. Bell, On the production and reproduction of sound by light, Am. J. Sci., 20(118) (1880) 305.
A. G. Bell, The production of sound by radiant energy, Science, 2(49) (1881) 242–253.
J. C. Lindon, G. E. Tranter and D. Koppenaal, Encyclopedia of Spectroscopy and Spectrometry, Academic Press (2016).
F. G. C. Bijnen, J. Reuss and F. J. M. Harren, Geometrical optimization of a longitudinal resonant photoacoustic cell for sensitive and fast trace gas detection, Rev. Sci. Instrum., 67(8) (1996) 2914–2923.
A. Miklós, P. Hess and Z. Bozóki, Application of acoustic resonators in photoacoustic trace gas analysis and metrology, Rev. Sci. Instrum., 72(4) (2001) 1937–1955.
K. A. Gillis, D. K. Havey and J. T. Hodges, Standard photoacoustic spectrometer: model and validation using O2 A-band spectra, Rev. Sci. Instrum., 81(6) (2010) 064902.
S. Bernegger and M. W. Sigrist, Longitudinal resonant spectrophone for CO-laser photoacoustic spectroscopy, Appl. Phys. B Photophysics Laser Chem., 44(2) (1987) 125–132.
C. Hernández-Aguilar, A. Domínguez-Pacheco, A. Cruz-Orea and R. Ivanov, Photoacoustic spectroscopy in the optical characterization of foodstuff: a review, J. Spectrosc., 2019 (2019) 1–34.
J. Li, W. Chen and B. Yu, Recent progress on infrared photoacoustic spectroscopy techniques, Appl. Spectrosc. Rev., 46(6) (2011) 440–471.
P. Patel, M. Hardik and P. Patel, A review on photoacoustic spectroscopy, Int. J. Pharm. Erud, 3 (2013) 41–56.
X. Yin, H. Wu, L. Dong, B. Li, W. Ma, L. Zhang, W. Yin, L. Xiao, S. Jia and F. K. Kittel, Ppb-level SO2 photoacoustic sensors with a suppressed absorption-desorption effect by using a 741 µm external-cavity quantum cascade laser, ACS Sensors, 5(2) (2020) 549–556.
H. Wu, L. Dong, X. Yin, A. Sampaolo, P. Patimisco, W. Ma, L. Zhang, W. Yin, L. Xiao and V. Spagnolo, Atmospheric CH4 measurement near a landfill using an ICL-based QEPAS sensor with V-T relaxation self-calibration, Sensors Actuators, B Chem., 297(July) (2019) 126753.
Y. Cai, N. Arsad, M. Li and Y. Wang, Buffer structure optimization of the photoacoustic cell for trace gas detection, Optoelectron. Lett., 9(3) (2013) 233–237.
F. J. M. Harren and S. M. Cristescu, Photoacoustic spectroscopy in trace gas monitoring, Encycl. Anal. Chem. Appl. Theory Instrum. (2006) 1–29.
Y.-H. Pao, Optoacoustic Spectroscopy and Detection, New York Acad. Press. (1977).
B. Baumann and B. Kost, Eigenmode analysis of photoacoustic sensors via finite element method, Rev. Sci. Instrum., 77(4) (2006) 044901.
A. L. Ulasevich, A. V. Gorelik, A. A. Kouzmouk and V. S. Starovoitov, A miniaturized prototype of resonant banana-shaped photoacoustic cell for gas sensing, Infrared Phys. Technol., 60 (2013) 174–182.
B. Kost, B. Baumann, M. Germer, M. Wolff and M. Rosenkranz, Numerical shape optimization of photoacoustic resonators, Appl. Phys. B, 102(1) (2011) 87–93.
L. E. Kinsler, A. R. Frey, A. B. Coppens and J. V. Sanders, Fundamentals of Acoustics, 4th Ed. (2000).
T. Starecki and A. Geras, Improved open photoacoustic Helmholtz cell, Int. J. Thermophys., 35(11) (2014) 2023–2031.
M. A. Pleitez, T. Lieblein, A. Bauer, O. Hertzberg, H. von Lilienfeld-Toal and W. Mantele, Windowless ultrasound photoacoustic cell for in vivo mid-IR spectroscopy of human epidermis: low interference by changes of air pressure, temperature, and humidity caused by skin contact opens the possibility for a non-invasive monitoring of glucose in the intertitial fluid, Rev. Sci. Instrum., 84(8) (2013) 084901.
J. Kottmann, J. M. Rey, J. Luginbühl, E. Reichmann and M. W. Sigrist, Glucose sensing in human epidermis using mid-infrared photoacoustic detection, Biomed. Opt. Express, 3(4) (2012) 667.
S. El-Busaidy, D, B. Baumann, M. Wolff, L. Duggen and H. Bruhens, Experimental and numerical investigation of a photoacoustic resonator for solid samples: towards a non-invasive glucose sensor, Sensors (Switzerland) (2019).
M. Mannoor, J. Hwang and S. Kang, Numerical study of geometrical effects on the performance of an H-type cylindrical resonant photoacoustic cell, J. Mech. Sci. Technol., 32(12) (2018) 5671–5683.
L. Duggen, N. Lopes, M. Willatzen and H.-G. Rubahn, Finite element simulation of photoacoustic pressure in a resonant photoacoustic cell using lossy boundary conditions, Int. J. Thermophys., 32(4) (2011) 774–785.
Acoustic Module: Users Guide, http://www.comsol.com.
B. Baumann, M. Wolff, B. Kost and H. Groninga, Finite element calculation of photoacoustic signals, Appl. Opt., 46(7) (2007) 1120.
C. Howard and B. Cazzolato, Acoustic Analyses Using Matlab and Ansys, CRC Press (2014).
T. Starecki, Influence of external acoustic noise on the operation of an open photoacoustic helmholtz cell, Acta Phys. Pol. A, 114(6A) (2008) A–199–A–204.