随着现代化工业的突飞猛进,痕量气体检测技术的重要性不言而喻,光声光谱是痕量气体检测家族中的重要一员,它以吸收光谱为基础理论,基于光-热-声效应实现对气体定性与定量测量的一种检测方法,具有高灵敏性、高选择性、快速响应、在线监测和无耗材等优点,其应用前景十分广阔。随着计算机科学与数值模拟技术的发展,仪器研制的研发环境与设计流程也发生了较大的变化,利用先进的设计方法用于光声光谱技术的研究具有积极的意义。本论文通过理论分析、实验研究和数值模拟相结合的方法,围绕光声光谱光-热-声效应下的多物理场耦合计算问题,利用计算机有限元仿真技术开展光声池的优化设计、光声光谱连续性检测系统与光声池腔内流场与噪声等问题的实验研究与理论分析,主要研究内容与创新成果如下:1)基于光声光谱与声学相关理论,设计制作了圆柱共振型光声池整体部件,建立了一套用于气体测量的光声光谱实验检测系统,以甲烷气体为研究对象,通过定量检测,给出了所建系统的信噪比、灵敏度、稳定性与最低探测极限、光声池共振频率、品质因素与池常数等性能参量,通过实验研究了气体浓度、激光功率、压力与温度等因素对光声信号的影响规律。2)考虑到光声光谱中客观存在的光-热-声之间的耦合问题,利用数值仿真计算获得了光声池的声学模态频率与振型,分析了光声池主要结构与几何尺寸对声学共振频率计算的影响规律,提出准确计算光声池的声学共振频率需要考虑缓冲腔结构的影响;通过施加高斯激光光源载荷、设置光声边界条件等,借助于热粘性声学仿真程序求解给出了光声腔声场与温度场的分布特性,获得了光声池光声信号的频响规律,并对影响光声信号的气体浓度、激光输出功率、压力、温度等参数进行了仿真分析,获得了对应的影响规律曲线,结合实验所得结果,验证并明确了光声光谱数值模拟计算的有效性与可行性,基本形成了光声池“理论计算——实验测试——数值模拟”的闭环设计与分析流程,同时对所建立的光声光谱气体光-声-热仿真程序进行了 App集成二次开发,编译了两款针对于圆柱形光声池计算的仿真平台。3)针对光声池结构优化设计问题,提出了一种基于响应面代理模型与遗传算法相结合的光声池多目标优化设计方法,理论分析了谐振腔两端喇叭口形的光声池性能指标,通过模拟获得了其品质因数及池常数为最大值寻优的Pareto最优解集,结果表明优化后光声池的性能得到一定的提升,其品质因素Q较初始值增长了 48.9%、池常数Ceell增长了 34.4%;利用3D打印制造与数值模拟技术,拓宽研究了谐振腔横截面分别为正三角形、正方形、正五边形、椭圆四类规则几何形状与边界为指数曲线、样条插值曲线过渡的非规则几何形状的光声池的声学特性;结果表明:规则形状中,截面为圆形的光声池性能最佳;非规则形状中,插值曲线(细腰鼓型)过渡的光声池最具有较好的优势与设计潜力。4)对光声光谱连续性检测过程中的动态响应问题进行了探讨分析,采用计算流体动力学技术(Computational Fluid Dynamics,CFD)与实验测试相结合的方法,模拟分析了光声池腔内气体流动现象,并揭示了光声池腔内气体浓度扩散、气体交换以及气流扰动噪声的物理问题,提出了开音孔处压力对流量的导数值与腔内气体浓度平衡时间作为评估系统动态响应的两项指标,研究了光声池进、出气孔半径、气孔轴向距离、截面过渡设计、出气孔布置方式、分流通孔设计对指标的影响规律,给出了一种系统动态检测性能较佳的光声池腔体结构单元,结果表明:流量为100sccm情况下,其气体浓度平衡时间得到了有效缩短,较原结构提升率约为14.3%,开音孔处压力对流量的导数值下降至约为原先的25%,并且光声池性能较之前基本保持稳定。本论文内容,旨在通过对光声光谱气体检测系统的理论计算和数值仿真研究,为同类或类似的光谱式检测装置的设计与优化工作提供借鉴参考。