气体的声速和声弛豫谱吸收系数具有随气体成分改变而变化的特性。利用这一特性进行气体检测的声学气体传感技术，具有结构简单、快速、低功耗、无需化学反应、无校准等优势，在工业上有着广泛的应用前景。但是，现有的声弛豫气体传感技术是建立在分子振动弛豫理论基础上，不能检测基于分子转动弛豫理论的气体例如氢气，严重制约声学气体传感技术在工业上的广泛应用。因此，建立基于分子转动的氢气弛豫模型，并在此基础上结合现有的气体分子振动弛豫理论，构建掺氢混合气体弛豫模型，寻找该混合气体的超声探测方法是本文的研究目标。
　　本文从以下几个方面展开研究：
　　第一，现有的声弛豫理论模型存在以下不足：仅适用于振动弛豫的气体例如二氧化碳、氧气、甲烷等，不适用于转动弛豫的氢气。针对这一问题，本文利用理想气体焓变与等压热容的关系，提出了基于分子转动弛豫的氢气理论模型，并讨论了分子转动弛豫和振动弛豫的相似与不同。在此基础上，与传统的振动弛豫模型结合，构建了一种掺氢混合气体声弛豫模型。仿真结果验证了该模型的有效性，本模型为掺氢混合气体探测提供了一个有效理论基础。
　　第二，现有的弛豫理论不能解释氢气弛豫过程的内部机理，针对这一问题，本文对的氢气转动弛豫理论模型进行解耦，分析了单一转动弛豫过程对氢气总弛豫吸收的贡献，并证明氢气的转动弛豫过程是由多个单转动弛豫过程叠加的结果。在此基础上，构建了一个掺氢混合气体解耦模型。该解耦模型从微观角度分析气体分子弛豫过程对宏观声弛豫特性的影响，定性和定量分析混合气体中的分子弛豫与气体成分浓度之间的关系，最后利用该模型进行气体检测。
　　第三，传统的声弛豫谱吸收系数测量中有以下问题：设备复杂、测量方法繁琐、精度低、高频阶段的信号淹没在噪声中难以测量。针对这些问题，本文提出利用声速频散谱曲线的声速谱拐点进行气体探测的方法。首先，根据测量有限频率点的声速值重建声速频散谱方法，计算得到声速谱拐点；其次，基于前面提出的解耦模型，构建声速谱拐点的理论探测区域；然后，将声速谱拐点定位到理论探测区域中，进行定性定量探测；最后利用声速谱拐点随着环境温度和气体成分变化而改变的特性，使用环境温度校正测量误差。
　　第四，实验室前期声学气体实验设备功能单一，只能进行负压测量。针对这一问题，研制了新型声学实验设备，能够进行真空至30个大气压实验，七组超声波换能器扩展了测量的频率范围。此外，气体腔体内部安装了自带光源的摄像头，可以在漆黑环境下监控内部情况，腔体内外的双加热模块可以升高温度，实现实验温度恒定可控，内置的风扇可以使气体受热均匀。最后，针对原有测量数据少，气体压强变化范围小等问题，本文将测量气体的压强范围扩展至0.6-8个大气压，测量了多种混合气体的实验数据，并进行了数据处理和误差讨论，为基于声速谱拐点的气体传感技术理论研究提供了有效的实验支撑。
　　综上所述，本文提出了基于声弛豫的掺氢混合气体模型，并对其进行解耦，分析了氢气分子转动弛豫过程的内部机理，这些理论研究弥补了现有的气体分子弛豫理论不适用于氢气和掺氢混合气体的不足。本文还提出了基于声速谱拐点的气体探测方法，利用前面提出的理论模型构建有效探测区域，将测量得到的声速谱拐点定位到有效区域，定性定量探测混合气体。该方法推动了声学气体传感技术在工业中的实用化应用。此外，本文研制的新型声学气体实验设备为理论研究提供了有效的实验支撑。