对光声现象的研究

赵　杰,房　颐,徐　慧

(上海交通大学 物理与天文系,上海 210003)



对光声现象的研究

赵杰,房颐,徐慧

(上海交通大学 物理与天文系,上海 210003)

摘要：选择第26届IYPT题目“聆听光的声音”，研究了光声现象中光功率与声强以及调制光频与声频的关系. 实验结果表明：光致声声频等于入射光调制光频，光致声的声强与光频呈正相关，即在消除了斩光器的影响后，斩光器频率越高，声强越大.

关键词：光声效应；频率；声强；IYPT

1研究源起

研究问题起源于2013年第26届国际青年物理学家竞赛(IYPT)赛题中的第7题，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.

中文翻译：聆听光的声音

将罐子内表面的一半涂1层锅灰，并在它的盖子上钻1个孔(图1). 当连接交流电的灯泡发出的光照射到罐子的黑墙(锅灰层)时，可以听到明显的声音. 解释和探究该现象.

图1　内表面的一半涂有锅灰的罐子

2研究过程

2.1　实验探究

在实验条件方面，所谓被一定频率调制后的光是指光源的发光功率按一定频率变化的光，生活中最易得的调制光源是接上交流电的白炽灯，声的产生装置选用透明玻璃罐，光的吸收材料是蜡烛在玻璃罐内壁熏出的炭黑层，罐口钻一小孔作为声音传出口.

实验装置如图2所示. 实验探测器使用声音传感器，并利用DIS进行数据分析，将探测得的声音数据绘为声强曲线.

图2　实验装置图

鉴于声音传感器较敏感，为排除环境声音的干扰，本实验的声音图像为环境音及实验光致音的对照，图3为初步试验的声波图像，横坐标为时间，纵坐标为相对声强. 前半部分为环境音，后半部分为实验光致声.

图3　声波图像

2．2　理论探究

光致声现象最早由A.G.Bell于1880年发现，其产生机制为光声学主要内容，在这里只对本实验简单叙述：调制后的光照射在炭黑表面时，炭黑层吸收光辐射的能量升温，加热其表面空气层使其膨胀. 调制后的光由于其功率周期性变化会使碳层温度周期性变化，从而使表面空气层周期性膨胀收缩，如同振动片振动发声.

根据傅里叶实验定律和能量守恒定律，有

Q0=ηβI0|cosωt| ；

(1)

(2)

(3)

其中Q0指表面(x=0)处的热源强度，l1与l2分别是实验所取炭黑层与空气层的厚度，如图4所示，利用数值解，得出炭黑层的温度变化如图5所示. 图5中温度的变化频率为100 Hz，实验中所记录的光致声的频率也约为100 Hz，实验结果与理论初步吻合.

图4　光致声现象原理图

2.3　对光致声相关效应的研究

1)光功率与声强关系

对于整个系统来说，电灯光是能量输入，光致声是该系统能量输出之一(其他能量转换为内能散失了)，光功率与声强的关系是该系统最基本的研究内容,也是该系统能量效应的体现.

实验依照控制变量思想，通过固定电源功率，只改变灯与玻璃罐的距离，记录不同距离时光致声的特征，并研究其影响.

实验数据见表1. 由表1中数据易得出结论：在只改变距离的情况下，光致声的频率f不变，仍为100 Hz，但声强A与距离l呈负相关，即与输入光的光功率呈正相关. 同时随着距离的加长，声音受到环境音的干扰越大.

表1　光功率与声强关系数据表

对此可以进行简单地定性解释：对于灯来说，每个以灯为中心的球面光通量相同，此时若假设光在任意方向上是均匀的，则炭黑层表面的光能密度与距灯距离成平方反比关系 (实际情况光能集中于正前方一小块区域). 总光功率的增强，在其他条件不变的情况下，意味炭黑层在1个周期内接收到的光功率变化幅度更大，从而加大温度的变化幅度，增加“振动片”空气层的振幅. 连续改变灯罐距离的附加实验，测量的声强图像如图6所示.

图6　改变灯罐距离后测得到的声强图像

2)调制光频与声频关系

在以前的实验中，发现所有的光声频率都是100 Hz,为所用交流电频率的2倍. 所以想到研究调制光源的光频对声频的影响. 在初步的理论解释当中，调制频率、炭黑层温度变化和空气层胀缩是同步变化的，应当为同一频率. 但探究此实验必须改变输入光的调制频率，由于交流电的频率恒为50 Hz，所以必须改变实验器材.

首先将电源改为2个110 V直流电源的串联，为增强实验效果，灯泡改为浴霸，同时，为了获得可控调制频率，制作了斩光器(由旋转扇叶与电机组成).

实验器材组合如图7所示，斩光器以一定频率遮挡灯光，通过改变电机转速调节频率. 实验前，通过用斩光器劈小纸片在声音传感器上读出光斩频率，再与光致声频率进行比较.

图7　增加了斩光器的实验装置

正式实验时注意到斩光器本身会产生较大干扰音，于是在实验中用泡沫塑料隔音，并在实验

中记下纯开电机的声音与光声的声强差以显示区别，数据如表2所示.

表2　调制光频与声频关系数据

3结论及应用

实验结论：根据实验数据，在误差合理的范围内，光致声声频等于入射光调制光频. 这与理论预言是符合的. 同时在实验中还发现在实验范围内，光致声的声强与光频呈正相关，即在消除了斩光器的影响后，斩光器频率越高，声强越大，具体原因本文暂无确切结论.

本次研究主要讨论光功率对声强影响，由此可以得出光声效应一个重要应用：由光声效应中产生的声能反推出物质吸收的光能.

事实上，根据光声原理容易制成比其他功率计有更大波长范围的功率计，而且保持高的灵敏度和相当大的动态范围.

光声效应对吸收材料要求是材料对于吸收辐射后具有敏感的温度变化. 清华大学研究出了一款利用碳纳米管通电后热效应致空气膨胀原理的扬声器. 可将本研究与其结合，利用音乐频率调制光，可造出随光照区域改变而改变发声区域的扬声器.

参考文献：

[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 hören? [J]. Physik in Unserer Zeit, 2001,32(4):180-182

[4]Rosencwaig A. 光声学和光声谱学[M]. 北京：科学出版社，1986:9.

[责任编辑：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

中图分类号：O437

文献标识码：A

文章编号：1005-4642(2016)01-0028-03

作者简介：赵杰(1997-),男,江苏南京人,上海交通大学物理与天文系2015级本科生.

收稿日期：2015-07-15；修改日期：2015-11-02