最新進(jìn)展！無(wú)源聲學(xué)測(cè)溫助力5200米高空氣溫實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)

準(zhǔn)確測(cè)量高原地區(qū)和高海拔地區(qū)的大氣溫度變化對(duì)天氣預(yù)報(bào)和氣象研究至關(guān)重要，有助于了解大氣結(jié)構(gòu)、評(píng)估氣候模型和預(yù)測(cè)氣象現(xiàn)象。

然而在高海拔溫度測(cè)量領(lǐng)域，空氣稀薄，光學(xué)非接觸式溫度測(cè)量方法或電子溫度傳感器都需要先與環(huán)境達(dá)到熱平衡，導(dǎo)致數(shù)據(jù)滯后。

聲學(xué)測(cè)溫是一種快速的非接觸式溫度測(cè)量技術(shù)，能夠避免傳統(tǒng)電子溫度計(jì)在接觸測(cè)量時(shí)對(duì)被測(cè)物體溫度的影響，也無(wú)需建立熱平衡即可直接測(cè)量空氣溫度，可以實(shí)時(shí)反映空氣溫度。

傳統(tǒng)的聲學(xué)法測(cè)溫方法在長(zhǎng)期溫度監(jiān)測(cè)過(guò)程中依賴(lài)精密的聲學(xué)設(shè)備和持續(xù)的聲源激勵(lì)，這些設(shè)備增加了溫度測(cè)量的復(fù)雜性和維護(hù)成本，并且容易受到環(huán)境噪聲干擾導(dǎo)致信噪比下降。

為了克服上述技術(shù)的缺點(diǎn)，近期，Yue Yan等人提出了無(wú)源聲學(xué)測(cè)溫技術(shù)，利用環(huán)境白噪聲而非外部聲源來(lái)測(cè)量大氣溫度，可實(shí)現(xiàn)對(duì)最高5200米高空的大氣溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，具有非接觸、測(cè)量準(zhǔn)確、響應(yīng)迅速的優(yōu)點(diǎn)。其研究成果[1]發(fā)表在聲學(xué)領(lǐng)域權(quán)威期刊《The Journal of the Acoustical Society of America》中，并作為期刊的封面。

期刊封面圖

在文章中，研究人員提出了一種溫度測(cè)量裝置—聲學(xué)法布里-珀羅諧振器（AFPR），AFPR由駐極體電容傳聲器和聲波導(dǎo)組成，利用環(huán)境白噪聲，在裝置里產(chǎn)生聲學(xué)共振，然后通過(guò)檢測(cè)不同階次的諧振頻率，推算出空氣溫度。這其中的關(guān)鍵在于，諧振頻率和模式階數(shù)之間存在著線(xiàn)性關(guān)系，通過(guò)這條隱藏的 “線(xiàn)索”，可以得到空氣溫度。

另外，考慮到實(shí)際環(huán)境的復(fù)雜性，在實(shí)際測(cè)量時(shí)進(jìn)行誤差補(bǔ)償和頻率響應(yīng)優(yōu)化，提高測(cè)量準(zhǔn)確度。

（a）AFPR模型圖 （b）通過(guò)有限元模擬的AFPR頻率響應(yīng)曲線(xiàn)

為了驗(yàn)證上述裝置性能，研究人員分別用其在實(shí)驗(yàn)室、地面和高空測(cè)量空氣溫度。在實(shí)驗(yàn)室中測(cè)量時(shí)，通過(guò) B&K 聲學(xué)系統(tǒng)驗(yàn)證 AFPR 的多階諧振特性，線(xiàn)性擬合斜率與溫度正相關(guān)（R>0.999）。在消聲室中，AFPR 對(duì)溫度變化的響應(yīng)時(shí)間比紅外測(cè)溫儀快 20 秒。

在北京和喀什高原地表測(cè)量溫度，持續(xù)監(jiān)測(cè)結(jié)果與電子溫度計(jì)平均偏差 < 0.8℃，喀什高原晝夜溫差達(dá) 30℃，AFPR 可準(zhǔn)確反映溫度變化趨勢(shì)。

進(jìn)行高空測(cè)量時(shí)，用系留氣球[2]搭載 AFPR 在喀什高原（海拔 3700m）和橫店（海拔 120m）進(jìn)行升降測(cè)試，最大監(jiān)測(cè)高度 5200m，測(cè)量結(jié)果顯示，在高空環(huán)境噪聲≥35dB 時(shí)仍能穩(wěn)定測(cè)量，與氣球內(nèi)部溫度計(jì)平均偏差 < 0.5℃。

[1] Yan Yue, Zhi-Mei Qi, Tao Qiao, Junbo Wang, Rong Cai; Passive acoustic measurements of air temperature at various altitudes. J. Acoust. Soc. Am. 1 February 2025; 157 (2): 1290–1301. https://doi.org/10.1121/10.0035794

[2] 系留氣球：一種通過(guò)纜繩與地面設(shè)備相連的氣球，其內(nèi)部充入比空氣輕的氣體（如氦氣）產(chǎn)生浮力，使其能夠懸浮在空中。