氢气作为一种高效无污染、具有可持续发展潜力的新型清洁能源,有望成为解决目前能源危机的可行途径之一。但是,氢气本身容易泄露而且遇明火容易爆炸,因此对于氢气浓度的实时高精度检测具有重大意义。针对市场上的氢气传感器灵敏度低、成本高、存在接触式反应等问题,本文提出了一种基于超声波谱的纯声学方法。通过检测超声波在气体中传输的声速和声吸收来实现二元、三元混合气体中氢气浓度的高精度检测。论文的主要工作包含以下几个方面:理论分析了氢气的声速谱和声吸收谱,结合Dain-Lueptow(D-L)理论从分子层面上对多元混合气体中的分子碰撞和能量转移模型做了细致分析,得出了二元和三元混合气体中声速和声吸收系数与声波频率、以及各组分气体浓度之间的定性关系。定量分析了含有氢气的三元混合气体中声速和声衰减与声频率以及各组分气体浓度之间的对应关系,并据此建立了三元气体传感的理论模型。对于氢气中声吸收系数与声波频率对应关系的计算结果表明:声吸收系数存在吸收峰值;通过分析氢气的有效弛豫频率,可将其拓展用于四元混合气体中氢气浓度的检测。同时通过仿真计算研究了环境温度、湿度等因素对实验测量结果的影响,为后续误差分析提供了理论依据。其中,针对温度漂移问题本文提出的线性补偿算法,很好地消除了温度的影响,大大减小了测量的误差,有望将氢气浓度的测量精度提高至几十ppm量级。设计了二元、三元混合气体中氢气浓度检测的实验方案,并据此搭建了实验平台。通过检测混合气体中的声速和声吸收系数,实现了对氢气浓度的检测。实验结果表明:二元混合气体中氢气浓度的测量精度为250 ppm,三元混合气体中氢气浓度的测量精度为1100 ppm,与预期的100 ppm的测量精度尚存在差距。为此论文进一步讨论了整个系统的温度、湿度、压强和气密性等各种因素对实验结果的影响,并量化分析了误差影响。为了验证弛豫声吸收模型的频率特性,测量了氢气中的声吸收系数与频率压强比之间的关系,实验结果表明:实验测得的声吸收系数变化趋势与理论相符,略大于理论值,其误差主要是来自于经典声吸收对实验结果的影响。论文从三元混合气体中声速和声吸收特性的理论建模与计算、实验测量和误差分析这几个方面,讨论了超声波谱检测氢气浓度的方法和可行性,为高精度氢气声学测量提供了参考。