對光聲現象的研究

趙　杰,房　頤,徐　慧

(上海交通大學 物理與天文系,上海 210003)

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對光聲現象的研究

趙杰,房頤,徐慧

(上海交通大學 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”，研究了光聲現象中光功率與聲強以及調制光頻與聲頻的關系. 實驗結果表明：光致聲聲頻等于入射光調制光頻，光致聲的聲強與光頻呈正相關，即在消除了斬光器的影響后，斬光器頻率越高，聲強越大.

關鍵詞：光聲效應；頻率；聲強；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

將罐子內表面的一半涂1層鍋灰，并在它的蓋子上鉆1個孔(圖1). 當連接交流電的燈泡發出的光照射到罐子的黑墻(鍋灰層)時，可以聽到明顯的聲音. 解釋和探究該現象.

圖1　內表面的一半涂有鍋灰的罐子

2研究過程

2.1　實驗探究

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

實驗裝置如圖2所示. 實驗探測器使用聲音傳感器，并利用DIS進行數據分析，將探測得的聲音數據繪為聲強曲線.

圖2　實驗裝置圖

鑒于聲音傳感器較敏感，為排除環境聲音的干擾，本實驗的聲音圖像為環境音及實驗光致音的對照，圖3為初步試驗的聲波圖像，橫坐標為時間，縱坐標為相對聲強. 前半部分為環境音，后半部分為實驗光致聲.

圖3　聲波圖像

2．2　理論探究

光致聲現象最早由A.G.Bell于1880年發現，其產生機制為光聲學主要內容，在這里只對本實驗簡單敘述：調制后的光照射在炭黑表面時，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. 調制后的光由于其功率周期性變化會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，如同振動片振動發聲.

根據傅里葉實驗定律和能量守恒定律，有

Q0=ηβI0|cosωt| ；

(1)

(2)

(3)

其中Q0指表面(x=0)處的熱源強度，l1與l2分別是實驗所取炭黑層與空氣層的厚度，如圖4所示，利用數值解，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，實驗中所記錄的光致聲的頻率也約為100 Hz，實驗結果與理論初步吻合.

圖4　光致聲現象原理圖

2.3　對光致聲相關效應的研究

1)光功率與聲強關系

對于整個系統來說，電燈光是能量輸入，光致聲是該系統能量輸出之一(其他能量轉換為內能散失了)，光功率與聲強的關系是該系統最基本的研究內容,也是該系統能量效應的體現.

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

實驗數據見表1. 由表1中數據易得出結論：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A與距離l呈負相關，即與輸入光的光功率呈正相關. 同時隨著距離的加長，聲音受到環境音的干擾越大.

表1　光功率與聲強關系數據表

對此可以進行簡單地定性解釋：對于燈來說，每個以燈為中心的球面光通量相同，此時若假設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系 (實際情況光能集中于正前方一小塊區域). 總光功率的增強，在其他條件不變的情況下，意味炭黑層在1個周期內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“振動片”空氣層的振幅. 連續改變燈罐距離的附加實驗，測量的聲強圖像如圖6所示.

圖6　改變燈罐距離后測得到的聲強圖像

2)調制光頻與聲頻關系

在以前的實驗中，發現所有的光聲頻率都是100 Hz,為所用交流電頻率的2倍. 所以想到研究調制光源的光頻對聲頻的影響. 在初步的理論解釋當中，調制頻率、炭黑層溫度變化和空氣層脹縮是同步變化的，應當為同一頻率. 但探究此實驗必須改變輸入光的調制頻率，由于交流電的頻率恒為50 Hz，所以必須改變實驗器材.

首先將電源改為2個110 V直流電源的串聯，為增強實驗效果，燈泡改為浴霸，同時，為了獲得可控調制頻率，制作了斬光器(由旋轉扇葉與電機組成).

實驗器材組合如圖7所示，斬光器以一定頻率遮擋燈光，通過改變電機轉速調節頻率. 實驗前，通過用斬光器劈小紙片在聲音傳感器上讀出光斬頻率，再與光致聲頻率進行比較.

圖7　增加了斬光器的實驗裝置

正式實驗時注意到斬光器本身會產生較大干擾音，于是在實驗中用泡沫塑料隔音，并在實驗

中記下純開電機的聲音與光聲的聲強差以顯示區別，數據如表2所示.

表2　調制光頻與聲頻關系數據

3結論及應用

實驗結論：根據實驗數據，在誤差合理的范圍內，光致聲聲頻等于入射光調制光頻. 這與理論預言是符合的. 同時在實驗中還發現在實驗范圍內，光致聲的聲強與光頻呈正相關，即在消除了斬光器的影響后，斬光器頻率越高，聲強越大，具體原因本文暫無確切結論.

本次研究主要討論光功率對聲強影響，由此可以得出光聲效應一個重要應用：由光聲效應中產生的聲能反推出物質吸收的光能.

事實上，根據光聲原理容易制成比其他功率計有更大波長范圍的功率計，而且保持高的靈敏度和相當大的動態范圍.

光聲效應對吸收材料要求是材料對于吸收輻射后具有敏感的溫度變化. 清華大學研究出了一款利用碳納米管通電后熱效應致空氣膨脹原理的揚聲器. 可將本研究與其結合，利用音樂頻率調制光，可造出隨光照區域改變而改變發聲區域的揚聲器.

參考文獻：

[1]Photoacoustic effect [EB/OL]. http://en.wikipedia.org/wiki/Photoacoustic_effect.

[2]Euler M, Niemann K, Müller A. Hearing light [J]. Phys. Teach., 2000,38(6):356-358.

[3]Euler M. Photoakustische experimente in der Küche Kann man licht h?ren? [J]. Physik in Unserer Zeit, 2001,32(4):180-182

[4]Rosencwaig A. 光聲學和光聲譜學[M]. 北京：科學出版社，1986:9.

[責任編輯：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：O437

文獻標識碼：A

文章編號：1005-4642(2016)01-0028-03

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

收稿日期：2015-07-15；修改日期：2015-11-02