對(duì)光聲現(xiàn)象的研究

趙　杰,房　頤,徐　慧

(上海交通大學(xué) 物理與天文系,上海 210003)

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對(duì)光聲現(xiàn)象的研究

趙杰,房頤,徐慧

(上海交通大學(xué) 物理與天文系,上海 210003)

摘要：選擇第26屆IYPT題目“聆聽光的聲音”，研究了光聲現(xiàn)象中光功率與聲強(qiáng)以及調(diào)制光頻與聲頻的關(guān)系. 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：光致聲聲頻等于入射光調(diào)制光頻，光致聲的聲強(qiáng)與光頻呈正相關(guān)，即在消除了斬光器的影響后，斬光器頻率越高，聲強(qiáng)越大.

關(guān)鍵詞：光聲效應(yīng)；頻率；聲強(qiáng)；IYPT

1研究源起

研究問題起源于2013年第26屆國際青年物理學(xué)家競賽(IYPT)賽題中的第7題，原文如下：

Hearing light

Coat one half of the inside of a jar with a layer of soot and drill a hole in its cover (see figure 1). When light from a light bulb connected to AC hits the jar’s black wall, a distinct sound can be heard. Explain and investigate the phenomenon.

中文翻譯：聆聽光的聲音

將罐子內(nèi)表面的一半涂1層鍋灰，并在它的蓋子上鉆1個(gè)孔(圖1). 當(dāng)連接交流電的燈泡發(fā)出的光照射到罐子的黑墻(鍋灰層)時(shí)，可以聽到明顯的聲音. 解釋和探究該現(xiàn)象.

圖1　內(nèi)表面的一半涂有鍋灰的罐子

2研究過程

2.1　實(shí)驗(yàn)探究

在實(shí)驗(yàn)條件方面，所謂被一定頻率調(diào)制后的光是指光源的發(fā)光功率按一定頻率變化的光，生活中最易得的調(diào)制光源是接上交流電的白熾燈，聲的產(chǎn)生裝置選用透明玻璃罐，光的吸收材料是蠟燭在玻璃罐內(nèi)壁熏出的炭黑層，罐口鉆一小孔作為聲音傳出口.

實(shí)驗(yàn)裝置如圖2所示. 實(shí)驗(yàn)探測(cè)器使用聲音傳感器，并利用DIS進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，將探測(cè)得的聲音數(shù)據(jù)繪為聲強(qiáng)曲線.

圖2　實(shí)驗(yàn)裝置圖

鑒于聲音傳感器較敏感，為排除環(huán)境聲音的干擾，本實(shí)驗(yàn)的聲音圖像為環(huán)境音及實(shí)驗(yàn)光致音的對(duì)照，圖3為初步試驗(yàn)的聲波圖像，橫坐標(biāo)為時(shí)間，縱坐標(biāo)為相對(duì)聲強(qiáng). 前半部分為環(huán)境音，后半部分為實(shí)驗(yàn)光致聲.

圖3　聲波圖像

2．2　理論探究

光致聲現(xiàn)象最早由A.G.Bell于1880年發(fā)現(xiàn)，其產(chǎn)生機(jī)制為光聲學(xué)主要內(nèi)容，在這里只對(duì)本實(shí)驗(yàn)簡單敘述：調(diào)制后的光照射在炭黑表面時(shí)，炭黑層吸收光輻射的能量升溫，加熱其表面空氣層使其膨脹. 調(diào)制后的光由于其功率周期性變化會(huì)使碳層溫度周期性變化，從而使表面空氣層周期性膨脹收縮，如同振動(dòng)片振動(dòng)發(fā)聲.

根據(jù)傅里葉實(shí)驗(yàn)定律和能量守恒定律，有

Q0=ηβI0|cosωt| ；

(1)

(2)

(3)

其中Q0指表面(x=0)處的熱源強(qiáng)度，l1與l2分別是實(shí)驗(yàn)所取炭黑層與空氣層的厚度，如圖4所示，利用數(shù)值解，得出炭黑層的溫度變化如圖5所示. 圖5中溫度的變化頻率為100 Hz，實(shí)驗(yàn)中所記錄的光致聲的頻率也約為100 Hz，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論初步吻合.

圖4　光致聲現(xiàn)象原理圖

2.3　對(duì)光致聲相關(guān)效應(yīng)的研究

1)光功率與聲強(qiáng)關(guān)系

對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)來說，電燈光是能量輸入，光致聲是該系統(tǒng)能量輸出之一(其他能量轉(zhuǎn)換為內(nèi)能散失了)，光功率與聲強(qiáng)的關(guān)系是該系統(tǒng)最基本的研究內(nèi)容,也是該系統(tǒng)能量效應(yīng)的體現(xiàn).

實(shí)驗(yàn)依照控制變量思想，通過固定電源功率，只改變燈與玻璃罐的距離，記錄不同距離時(shí)光致聲的特征，并研究其影響.

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見表1. 由表1中數(shù)據(jù)易得出結(jié)論：在只改變距離的情況下，光致聲的頻率f不變，仍為100 Hz，但聲強(qiáng)A與距離l呈負(fù)相關(guān)，即與輸入光的光功率呈正相關(guān). 同時(shí)隨著距離的加長，聲音受到環(huán)境音的干擾越大.

表1　光功率與聲強(qiáng)關(guān)系數(shù)據(jù)表

對(duì)此可以進(jìn)行簡單地定性解釋：對(duì)于燈來說，每個(gè)以燈為中心的球面光通量相同，此時(shí)若假設(shè)光在任意方向上是均勻的，則炭黑層表面的光能密度與距燈距離成平方反比關(guān)系 (實(shí)際情況光能集中于正前方一小塊區(qū)域). 總光功率的增強(qiáng)，在其他條件不變的情況下，意味炭黑層在1個(gè)周期內(nèi)接收到的光功率變化幅度更大，從而加大溫度的變化幅度，增加“振動(dòng)片”空氣層的振幅. 連續(xù)改變燈罐距離的附加實(shí)驗(yàn)，測(cè)量的聲強(qiáng)圖像如圖6所示.

圖6　改變燈罐距離后測(cè)得到的聲強(qiáng)圖像

2)調(diào)制光頻與聲頻關(guān)系

在以前的實(shí)驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)所有的光聲頻率都是100 Hz,為所用交流電頻率的2倍. 所以想到研究調(diào)制光源的光頻對(duì)聲頻的影響. 在初步的理論解釋當(dāng)中，調(diào)制頻率、炭黑層溫度變化和空氣層脹縮是同步變化的，應(yīng)當(dāng)為同一頻率. 但探究此實(shí)驗(yàn)必須改變輸入光的調(diào)制頻率，由于交流電的頻率恒為50 Hz，所以必須改變實(shí)驗(yàn)器材.

首先將電源改為2個(gè)110 V直流電源的串聯(lián)，為增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)效果，燈泡改為浴霸，同時(shí)，為了獲得可控調(diào)制頻率，制作了斬光器(由旋轉(zhuǎn)扇葉與電機(jī)組成).

實(shí)驗(yàn)器材組合如圖7所示，斬光器以一定頻率遮擋燈光，通過改變電機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)頻率. 實(shí)驗(yàn)前，通過用斬光器劈小紙片在聲音傳感器上讀出光斬頻率，再與光致聲頻率進(jìn)行比較.

圖7　增加了斬光器的實(shí)驗(yàn)裝置

正式實(shí)驗(yàn)時(shí)注意到斬光器本身會(huì)產(chǎn)生較大干擾音，于是在實(shí)驗(yàn)中用泡沫塑料隔音，并在實(shí)驗(yàn)

中記下純開電機(jī)的聲音與光聲的聲強(qiáng)差以顯示區(qū)別，數(shù)據(jù)如表2所示.

表2　調(diào)制光頻與聲頻關(guān)系數(shù)據(jù)

3結(jié)論及應(yīng)用

實(shí)驗(yàn)結(jié)論：根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，在誤差合理的范圍內(nèi)，光致聲聲頻等于入射光調(diào)制光頻. 這與理論預(yù)言是符合的. 同時(shí)在實(shí)驗(yàn)中還發(fā)現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)，光致聲的聲強(qiáng)與光頻呈正相關(guān)，即在消除了斬光器的影響后，斬光器頻率越高，聲強(qiáng)越大，具體原因本文暫無確切結(jié)論.

本次研究主要討論光功率對(duì)聲強(qiáng)影響，由此可以得出光聲效應(yīng)一個(gè)重要應(yīng)用：由光聲效應(yīng)中產(chǎn)生的聲能反推出物質(zhì)吸收的光能.

事實(shí)上，根據(jù)光聲原理容易制成比其他功率計(jì)有更大波長范圍的功率計(jì)，而且保持高的靈敏度和相當(dāng)大的動(dòng)態(tài)范圍.

光聲效應(yīng)對(duì)吸收材料要求是材料對(duì)于吸收輻射后具有敏感的溫度變化. 清華大學(xué)研究出了一款利用碳納米管通電后熱效應(yīng)致空氣膨脹原理的揚(yáng)聲器. 可將本研究與其結(jié)合，利用音樂頻率調(diào)制光，可造出隨光照區(qū)域改變而改變發(fā)聲區(qū)域的揚(yáng)聲器.

參考文獻(xiàn)：

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[責(zé)任編輯：任德香]

Study on the optoacoustic phenomenon

ZHAO Jie, FANG Yi, XU Hui

(Department of Physics and Astronomy, Shanghai Jiaotong University, Shanghai 200240, China)

Abstract:One of the 26thIYTP topics, Hearing light， was singled out to be discussed in this paper. It gave the relation between the power of the light and the sound intensity, and that between the frequency of sound and the frequency of the modulation light. The experimental results showed that the optoacoustic frequency was equal to the frequency of the light. The sound intensity increased with the frequency of the light. That was, the higher the frequency of the light chopper was, the larger the sound intensity was.

Key words:optoacoustic effcet; frequency; sound intensity; IYPT

中圖分類號(hào)：O437

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1005-4642(2016)01-0028-03

作者簡介：趙杰(1997-),男,江蘇南京人,上海交通大學(xué)物理與天文系2015級(jí)本科生.

收稿日期：2015-07-15；修改日期：2015-11-02