混合气体的温度、浓度和速度分布的同时测量对于确保系统安全、高效运行,减少污染物排放具有重要意义。由于混合气体系统中温度、浓度和速度对测量信息的耦合影响,实时、准确地获取系统物理状态参数非常具有挑战性。声学法因具有非侵入传感、全场监测、在线测量等优点被认为是具有广阔发展前景的可视化测量方法。基于声波弛豫衰减,本文提出了将气体的弛豫衰减作为新的声学参数,联合声速和经典衰减,对混合气体的温度、浓度和速度分布进行同时重建。不同于一种传感器只测量一种物理参数的测量方法,本文提出的方法可以利用声学传感器对复杂热物理场中多参数同时测量。主要工作如下：(1)声学基本理论研究对实现混合气体温度、浓度和速度分布的同时测量具有重要意义。本文研究了声波的产生及传播机理,比较了声传播三种计算模型,确定了以射线模型作为本文的基本计算模型。给出了声波经典衰减的计算方法；讨论了多原子气体中的分子碰撞能量转移模型,明确了弛豫过程中的能量转移模式；总结了弛豫衰减系数的计算过程；并提出了高温环境中的弛豫衰减系数的计算模式。(2)建立声学参数与混合气体温度、浓度和速度的耦合模型是实现复杂热物理场内多参数同时测量的关键。本文揭示了混合气体的温度、浓度以及速度与声学测量参数的耦合关系,建立了混合气体温度、浓度和速度信息的同时重建模型。提出了基于声速和声衰减的测量,对混合气体的温度、浓度和速度分布进行同时重建的方法,并通过数值仿真验证了方法的可行性和有效性。(3)提出了一个广义Tikhonov正则化算法求解声学反问题。通过建立新的目标泛函将声学反问题转化为一个最优化问题的求解。该目标泛函采用M估计缓解测量粗差的影响,同时引入了全变差正则和被测对象的低秩约束；提出了一个集成了分裂Bregman算法优势的迭代格式有效求解该目标泛函。数值仿真结果表明,该算法是可行的,能够确保稳定的数值解,并能够有效改善重建质量,为实现复杂热物理场多参数的高精度同时重建奠定了基础。(4)采用数值仿真途径,对炉膛烟气中的温度分布,气体混合过程的温度与浓度分布,以及大气表层的气体流动及温度分布进行了仿真重建,验证了本文提出的复杂热物理场多参数同时重建方法的可行性。(5)搭建了可以联合测量声速和声衰减的实验系统。测量了声波在不同混合气体中的传播参数,对声学参数与气体温度、浓度耦合关系模型进行了修正,验证了均场下的温度、浓度同时重建方法的有效性。本文的研究工作是对声学测量思路的扩展,将原有的侧重于测量单一热物理参数的测量方法推广到多种参数(包括温度、浓度与速度等)的同时测量,为复杂热物理场参数的测量提供了一种新的有效方法。