光声效应的实验研究

张凤云，罗 伟，张利巍

(1.东北石油大学 电子科学学院，黑龙江 大庆 163318；2.黑龙江省高校校企共建测试计量技术及仪器仪表工程研发中心，黑龙江 大庆 163318)

光声效应的实验研究

张凤云1,2，罗 伟1,2，张利巍1,2

(1.东北石油大学 电子科学学院，黑龙江 大庆 163318；2.黑龙江省高校校企共建测试计量技术及仪器仪表工程研发中心，黑龙江 大庆 163318)

通过控制变量法，探究了影响光声效应的相关因素，并通过Cool Edit Pro V2.1声音分析软件将其收录的声音进行了定量测量和研究，实验测量结果与理论解释相符合.

光声效应；频谱分析；频闪灯

19世纪末Bell发现了光声效应, 随着光纤、激光技术、压电陶瓷技术以及计算机技术的发展, 针对光声效应的研究和应用才受到广泛关注[1-4]. 光声光谱技术凭借其检测灵敏度高且可以实现多种微量气体同时检测的优势，已发展成为新兴研究领域，是国际上的研究热点[5-7]. 但是未查到系统地分析影响光声效应实验的相关因素和定量测量研究文献. 本文用自制实验装置演示光声效应的产生过程，定量地分析影响光声效应实验的相关因素.

1 实验原理

如图1所示，将透明玻璃瓶涂成半黑，在密封非常好的玻璃瓶的瓶盖处打1个小孔，用交流光源照射该玻璃瓶，并在小孔处用麦克风接收声音信号.

图1 光声效应实验研究装置图

之所以产生声音，是由于实验过程中发生了光—热—声转换. 由于被覆盖烟灰的部分的瓶子是深色，能很好地吸收光并将光能转化成热能，热量散射到周围环境中，使瓶内气体温度升高，气压变大. 而灯泡通交流电，变化的电流会使得气压发生波动，如果以足够大的频率和足够大的振幅周期性地重复此过程，气压的变化就会造成响声的出现.

本文应用光声效应原理，合理选择实验仪器和设备，自行设计了实验方案. 通过控制变量法，逐一改变某一变量探究光声效应产生声音的音量和频率的影响因素，并通过Cool Edit Pro V2.1声音分析软件将其收录并进行定量地测量研究.

2 实验装置

2.1 光源

光声效应实验要求使用可调制的光源，经研究发现，用频闪灯(0～9 999 Hz)和强光手电进行实验可以用肉耳听到声音，因此选用这2个光源. 强光手电是以发光二极管作为光源的照明工具. 频闪灯采用21070运动频闪观测仪，如图2所示. 输出光的频率为0～9 999 Hz，LED光源输出的脉冲幅度可调.

图2 频闪观测仪图

2.2 声音接受装置

实验中接收到的声音和噪音混合在一起，需要较好的声音接收装置接收声音，用声音分析软件进行定量地测量和频谱分析. 选用电容式麦克风和华硕 Xonar U7 USB声卡. Xonar U7 7.1声道外置USB 声卡，搭配耳机放大器享有192 kHz/24 bit高采样率音效，不需外接电源即可享有192 kHz高采样率的7.1声道. 麦克风音量实时调整按钮，114 dB信噪比，最新Dolby®Home Theater V4技术，极致拟真的环绕体验.

2.3 Cool Edit Pro V2.1软件

Cool Edit Pro 是美国 Adobe Systems 公司开发的一款功能强大、效果出色的多轨录音和音频处理软件. 本实验主要用此软件接收声音，并测量收集声音的频率和响度，然后使用频谱分析器进行频谱分析.

3 实验数据和结果

选用LED强光手电作为光源，玻璃瓶上的涂层材料选择烟灰，用强光手电照射玻璃瓶内的黑色物质，瓶口处听到清晰的声音. 声音接收装置接收的声音信号如图3所示.

图3 光声效应实验声音波形图

3.1 探究声音音量、频率与玻璃瓶形状的关系

选用4种不同形状的玻璃瓶进行实验：1号瓶是直圆筒瓶，高221 mm，直径76 mm；2号瓶也是直圆筒瓶，高120 mm，直径76 mm；3号瓶是锥形瓶，高184 mm，瓶口直径36 mm；4号瓶是椭圆广口瓶，高166 mm，瓶口直径70 mm，长轴96 mm，短轴72 mm. 采用频闪仪作为光源，光源激励频率为357 Hz，瓶子的涂层面积一定，采集声音信号的文件进行快速傅里叶变换得到了频谱图像. 1号瓶所发出的声音信号处理得到的频谱图像如图4所示，每个瓶子采集到的声音文件的测量主频和音量数据作图如图5所示. 声音的频率与玻璃瓶的形状无关，与光源的激励频率有关，每个主频率分别都是光源激励频率的倍频，但声音的音量与玻璃瓶的形状有关，不同形状的玻璃瓶产生的声音音量有所不同.

图4 光声效应实验声音频谱图

图5 声音主频和音量关系图

3.2 探究声音的音量和频率与孔的大小的关系

选用同一瓶子和同一频率(500 Hz)、光强的光源，分别测量了4种直径不同的小孔(孔的直径分别为0.5，1，2.7 cm和广口瓶)的玻璃瓶所产生的声音信号，并且通过声音接收装置进行了声音信号的采集，测量数据作图得到图6. 由图6可知，声音的频率与孔的大小无关，激励光源的频率不变，其大小也不变，但声音的音量与孔的大小有关，孔越大声音越大.

图6 声音主频和音量关系图

3.3 探究声音的音量和频率与涂层面积的关系

选择了4种填涂面积，分别是1/4涂黑、1/2涂黑、3/4涂黑和全黑，同一瓶子和同一频率(500 Hz)、光强的光源. 通过声音接收装置进行了声音信号的采集，测量数据如图7所示.

图7 声音主频和音量关系图

经过对实验数据分析可知：声音的频率与涂层的面积没有关系，与光源的激励频率有关，并且主频率都是激励光源的倍频，声音的音量与涂层面积有关系，但不是涂层面积越大声音越大，而是涂层上接收光的面积越大声音越大.

3.4 探究声音的音量和频率与光源光强的关系

同一瓶子和同一频率(500 Hz)的光源，不断地加强光源光强. 通过声音接收装置进行声音信号的采集，测量数据如图8所示. 声音的频率与光源的光强无关，只与激励频率有关，但声音的音量与光强有关，总体趋势为光强越大、声音越大.

图8 声音主频和音量关系图

3.5 探究声音的音量和频率与光源频率的关系

光源的光强为引起的最大输出值0.867 cd，同一瓶子和与光源的距离保持不变，只改变光源的频率. 通过声音接收装置进行了声音信号的采集，测量数据如图9所示. 由图9可知，声音的频率与光源的频率有关，光源频率越大，声音的主频率越大，且声音的主频率都是光源频率的倍频，声音的音量与光源的频率没有关系.

图9 声音主频和音量关系图

4 结束语

本文应用光声效应原理，改变玻璃瓶的形状、瓶孔、涂层的面积、光源的光强和频率，产生声音的频率与光源的激励频率有关，并且主频率都是激励光源的倍频. 有效的激励方式是低频窄脉冲光，在倍频系数n尽量小情况下可得到最佳的实验效果. 实验测量结果与理论解释相符合.

[1] 聂琴,樊大勇,高文容，等. 光声光谱技术在光合作用研究中的应用[J]. 广西科学,2004,11(1):61-68.

[2] 郑金存,张慧,邵平. 结合小波分析法与导数光声光谱技术测量弱光谱信号的实验研究[J]. 大学物理, 2010,29(1):42-45.

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[4] 王静轩,陆冬雨,李晨，等. 光纤光声效应产生方法及应用[J]. 声学技术,2013,32(4):38-41.

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[6] 谭松,刘万峰,王利军，等. 基于中红外分布反馈量子级联激光器的光声光谱技术用于痕量甲烷气体检测[J]. 光谱学与光谱分析,2012,32(5):1251-1254.

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[9] 赵杰，房颐，徐慧. 对光声现象的研究[J]. 物理实验,2016,36(1):28-30.

[责任编辑：尹冬梅]

Experimental study on the photoacoustic effect

ZHANG Feng-yun1,2, LUO Wei1,2, ZHANG Li-wei1,2

(1. College of Electronic Science, Northeast Petroleum University, Daqing 163318, China; 2. University-enterprise R & D Center of Measuring and Testing Technology & Instrument and Meter Engineering in Heilongjiang Province, Daqing 163318, China)

By the control variable method, the relevant factors influencing photoacoustic effect were explored. The sound recorded by Cool Edit Pro V2.1 were measured quantitatively and researched, the experimental results agreed with the theoretical explanation.

photoacoustic effect; spectrum analysis; stroboscope

2016-07-13

张凤云(1982-)，女，山东曹县人，东北石油大学电子科学学院讲师，硕士，研究方向为分子与原子物理.

O436

A

1005-4642(2017)07-0021-04