现代生活与工业生产中,多相气体流动过程广泛存在。随着生产工艺和设备结构的复杂化,以及对能源转换效率、安全性能、环境保护的重视,生产过程中参数的实时监测尤为重要。如电站锅炉炉膛中实时监测CO2、NO等气体浓度温度,或航天飞行器氧气发生装置中检测混合气体成分,以保证设备安全稳定运行。但流动过程中由于流动状态的变化、热量的交换、流体压缩等因素,导致流场复杂,多参数变化时更加难以实时监测。超声波检测作为一种无损检测技术,具有非接触、成本低、速度快等优点。目前,学者主要研究声速测温。但声速与混合气体温度浓度均相关,浓度也是多相气体流动分析中的重要参数。为得到更加准确的参数,本文采用声速和相关研究较少的声弛豫衰减联合测量。声弛豫衰减具有频率特性,可以得到多相气体的各相浓度信息。这里的相指气体的不同种类。本文还提出了新的重建算法,解决声学CT中像素数过多时成像困难的问题,实现了较高精度的声速-温度层析成像、声速-浓度层析成像,创新性的开展并实现了声弛豫衰减-浓度层析成像。论文主要研究内容如下:1、声学基础理论研究,重点研究超声波弛豫衰减理论。本文研究了超声波的基本理论,给出了多相气体声速的计算公式。经典衰减部分主要给出粘滞衰减和热传导衰减的计算公式。声弛豫衰减部分研究了衰减机理,气体分子的外部能和内部能以及分子碰撞能量转移模型,推导出适用于多相气体的弛豫衰减系数计算公式。其中,弛豫时间是较难推导的重要参数,计算过程中重点推导了分子碰撞能量转移概率,通过L-J和带偏置的指数函数匹配,迭代得到能量转移概率中的重要参数,推导出具体可用于计算的迭代公式。在弛豫衰减系数计算的过程中,推导出振动温度微分方程的矩阵求解公式,并用平面波的形式求解出最终的弛豫衰减系数,为声学层析成像打下基础。2、声学层析成像原理及重建算法研究。本文研究了基于声速和声弛豫衰减的层析成像方法和重建算法,其中声弛豫衰减层析成像为本文创新点。在成像原理部分,设计并阐述了声学层析成像的硬件系统,分别推导了声速和声弛豫衰减层析成像的正问题和反问题计算公式。计算了不同像素的敏感场矩阵,并对其距离网格线较近或位于网格线的传播路径做了处理,可以减小模型本身的误差,且传感器可以布置在任意位置。在重建算法部分,提出了基于邻域约束的M矩阵构造算法。声学CT中敏感场为稀疏矩阵,且要求像素数少于传播路径数,成像极其困难。本文提出的算法很大程度上提高了解的精度,像素个数可以远超传播路径数,且M矩阵不受被测空间影响,可以较容易的通过仿真计算获得正则化参数,计算得到模型的误差估计,并实现快速在线计算。可以普适性的应用于声速、声弛豫衰减层析成像、光学层析成像中,具有较强的实用价值。3、对多相气体的声速及声弛豫衰减进行仿真计算。本文分别仿真了声速-温度层析成像,声速-浓度层析成像和声弛豫衰减-浓度层析成像。采用常用算法和基于邻域约束的M矩阵构造算法,分别对不同像素重构图像,对比说明新算法的成像效果很好,并选择出最佳的像素个数。仿真计算声弛豫衰减中不同种类混合气体的各项参数,并分别计算出CO,H2O,CO2三种气体浓度的声弛豫衰减频谱,得到有效弛豫频率,选择最佳的频率用于成像计算。以两组多相气体为例,仿真计算单浓度变化时声弛豫衰减系数重建图像。根据声弛豫衰减的频率特性,给出多相气体中多浓度变化时的检测方案。最后,对声速与声弛豫衰减的解耦进行仿真。声弛豫衰减层析成像与声速层析成像相结合,可以得到更加全面准确的多相气体温度和组分信息。仿真结果表明,采用新算法进行声速和声弛豫衰减层析成像,均能得到精度极高的重建图像。该方法的实现为声学检测提供了更多的可能性,具有重要的意义。4、开发了基于FPGA的声学检测系统实验台并进行了实验设计。本文设计并搭建了基于FPGA的声学检测系统实验平台。设计了以FPGA为中央处理单元,分别控制检测系统发射部分及接收部分(放大、滤波、模数转换)的电路,制作出PCB板。采用VHDL语言编写了 FPGA中的控制程序等,以实现多路同时测量。用C语言编写了多路数据读取的串口程序及界面交互程序,以实现上位机与核心板的通信。最后,设计了检测声速和声弛豫衰减的实验方案,进行了相关的实验平台测试。证明了该实验平台可用于检测多相气体的流动过程。本文实现了基于声速及声弛豫衰减层析成像方法检测多相气体的温度和组分。并提出了新的重建算法,解决了声学层析成像技术中的关键问题。声弛豫衰减层析成像方法开辟了声学CT的新领域。