混合气体中的声传播谱,即依赖于声频率的声吸收和声速频散谱线,具有随气体成分改变而变化的特性。基于声传播谱的气体传感技术,因其可直接获得气体分子结构信息的突出优势,成为当前最有潜力的气体传感技术之一。该气体传感技术具有在线检测、无损检测、快速响应、微低功耗、组成简单、长时间工作稳定、以及测量精度高等优点,在工业过程控制、职业健康与安全、环境与排放监测等领域有着广泛的应用前景。建立多元混合气体中声传播谱的理论预测模型,是基于声传播谱的气体传感技术的理论基础；提出可定性和定量分析声传播谱与混合气体成分关系的分析模型,是实现该气体传感技术的理论关键;找到简便的声传播谱重建测量方法,则是这一气体传感技术可实用化的先决条件。本文首先对基于声传播谱的气体传感技术的应用背景、研究现状进行了介绍,并分析了该技术目前所存在的问题,然后主要从以下三个方面开展了研究工作：第一,针对声热弛豫传统理论不能适用于三元及以上多元混合气体的问题,引入分子内外自由度温度变化率之比这一参量,将Schwartz et al.(SSH)、Tanczos Lueptow et al.(DL)的振动弛豫方程理论,与Herzfeld和Litovitz的弛豫气体有效热容理论相结合,提出了一个可适用于三元及以上混合气体的声弛豫谱模型,并推导得到声复合弛豫谱和混合气体分子弛豫特性之间关系的解析表达式。仿真结果表明：对于CH4、N2、CO2、Cl2和02组成的多种混合气体,该解析模型的声吸收谱与实验数据相符,峰值误差在1%以内,且反映了声复合弛豫吸收谱上通常仅会显现1-2个吸收波峰的物理现象。与已有模型相比,本解析模型可直接求出多元混合气体声弛豫谱上特征点的解析形式。从而为研究不同环境条件下,声传播特性与气体分子弛豫特性的关系提供了一个有效理论模型。第二,针对既有理论模型不能定量解释多元混合气体中声吸收谱峰与分子弛豫过程的关系,也不能分析气体分子振动模式对声弛豫吸收贡献比例的问题,分别提出了一个多模式振动弛豫的解耦合模型和复合弛豫吸收谱的分解模型。首先,该解耦合模型将振动-振动耦合能量,去耦合到每一条振动-平动的去激发路径,并将去耦合的结果用于分析多模式振动弛豫是如何形成声吸收谱上的吸收峰。证明了：一个多模式振动弛豫是它的多个解耦合单弛豫过程相加后的结果；声弛豫吸收峰值点的幅度正比于对应解耦合过程的过程热容大小,其频率反比于解耦合过程的弛豫时间。该解耦合模型揭示了多元混合气体中,多模式振动弛豫引起的声吸收谱上吸收峰形成的本质过程。其次,分解模型将一个复合弛豫过程引起的复合声弛豫吸收谱分解为解耦合单弛豫过程对应的各吸收谱的叠加形式。基于复合弛豫吸收谱的该分解特性,提出了一个贡献度矩阵来定量地分析各振动模式对弛豫吸收的贡献度,从而实现了定性和定量地分析多元混合气体中声吸收谱与各分子振动模式之间的关系。第三,针对声传播谱的传统测量方法中需要不断变化气体腔体压强,而无法适应于大规模实际应用的问题,提出了一个仅需测量两频点声吸收和声速值,既无需改变气体腔体压强又无需测量气体密度,就可以获得整个频率范围声传播谱的特征点重建算法。该特征点重建算法的原理在于：基于单一弛豫过程引起的声吸收谱,可以被吸收峰值点(也即特征点)所对应的两个特征值——弛豫频率和弛豫吸收最大值所重建,而这两个特征值可以由两频点的声吸收和声速测量值合成得到。在测量获得高频声速值后,特征点算法也可用于重建依赖于频率的声速频散谱。特征点重建算法对单一弛豫过程引起的声谱重建精度,只取决于两频点声测量值的准确程度。由于重建谱的误差与声测量误差呈线性关系,所以可通过多次测量取均值的方法,将声测量误差的影响进行有效压制。从而提供了一种可实用化的声传播谱重建测量方法。本文的研究得到了国家自然科学基金项目(批准号：60971009和61001011)、高等学校博士学科点专项科研基金(批准号：20090142110019)、湖北省自然科学基金资助项目(批准号：2010CDB02701)和中央高校基本科研业务费专项资金(批准号：2012QN083)的资助。本文的研究成果为基于声传播谱的气体传感技术,提供了必要的基础理论,可推动该技术的实用化发展。