非理想壁面对圆柱法精密测量声速影响的研究

声速是目前可测量的最精确的热物性之一，基于声速能获得理想气体比热容和声学维里系数等性质，也是建立国际标准状态方程的重要依据。圆柱定程干涉法是极有前景的精密声速测量方法，具有长度的高精度测量易实现、几何结构稳定以及加工成本低等优势，已被成功用于Boltzmann常数测量的研究中。本项目针对限制圆柱法精密测量声速的关键问题：非理想壁面(主要包括：边界层、表面吸附以及壳体振动)效应对频率扰动机理的认识尚不完善以及理论修正方法尚未建立的现状，将利用声学、热力学以及界面科学的基础理论，建立适应于圆柱腔共振频率的非理想因素理论修正体系；采用圆柱定程干涉法开展不同温度、压力下Ar和具有明确应用背景工质(CO2等)的声速实验研究，验证理论修正的可靠性，积累高精度基础数据，并获得相关的热力学性质；最终将圆柱定程干涉法发展成为精密测量声速的方法。

声速是目前可测量的最精确的热物性之一，基于声速能获得理想气体比热容和声学维里系数等性质，也是建立国际标准状态方程的重要依据。圆柱定程干涉法是极有前景的精密声速测量方法，具有长度的高精度测量易实现、几何结构稳定以及加工成本低等优势，已被成功用于 Boltzmann 常数测量的研究中。本项目研究内容主要分为以下几个部分：（1）针对限制圆柱法精密测量声速的关键问题：非理想壁面(主要包括：边界层、表面吸附以及壳体振动)效应对频率扰动机理的认识尚不完善以及理论修正方法尚未建立的现状，利用声学、热力学以及界面科学的基础理论，建立适应于圆柱腔共振频率的非理想因素理论修正体系；（2）采用圆柱定程干涉法开展不同温度、压力下 Ar 和CO2 的声速实验研究，验证理论修正的可靠性，积累高精度基础数据，并获得相关的热力学性质。建立了国内首套可应用于高压至6 MPa 的气相声速测量系统，可应用于温度220 K~440 K，压力高至6 MPa的气体声速测量。在国际上首次完成了将圆柱声学共鸣腔应用于1 MPa以上而且使得测量不确定度达到0.01%的成功尝试。测量的CO2声速测量共振频率平均相对偏差小于百万分之5，声速测量不确定度小于0.01%；（3）将研究成果应用于圆柱法测量Boltzmann 常数研究中，获得的单圆柱法测量Boltzmann常数的结果，与国际科学技术数据委员会CODATA2010推荐值之间的差异和不确定度为百万分之(0.9+/-3.7)，即将被CODATA2014收录。针对圆柱壳体振动难以刻画的问题，开展了差分圆柱测量Boltzmann常数研究，可获得更为准确的声速数据，并能将Boltzmann 常数测量不确定度进一步降低；(4) 进一步开展了采用圆柱法测量高温热力学温度的探索研究，针对限制将声学法发展至高温的关键技术问题，开展了声波导管声学传感器性能研究，研制了耐高温声学和微波谐振腔，采用高温合金声波导管结合室温声学传感器满足高温声学测量需求，自制高温微波电缆和天线，开展了400 K~1000 K的实验测试，获得声学、微波共振频率以及信噪比，为未来高温声学温度计的深入研究奠定了重要基础。