固定距離下空氣濕度對光透過功率影響的研究

吳亞楠，游臻俊，馬佳寧，陳 雷

(華北電力大學(xué) 數(shù)理學(xué)院，北京 102206)

1 引 言

水霧是由大量的細小水滴懸浮在低空大氣層中，使空氣渾濁、可見度下降的水汽凝結(jié)現(xiàn)象[1]. 實驗證明，濕度高低可直觀地反映霧氣濃度[2]，所以本實驗在相關(guān)的霧化室霧氣濃度模擬基礎(chǔ)上[3]，通過改變玻璃間固定厚度的空氣濕度來測量其對固定光源的光功率的影響，經(jīng)過多次實驗數(shù)據(jù)的匯總和分析，得出了固定光源下，凈濕度對透過光功率的影響，是空氣中可見度降低的主要原因. 由于實驗條件的限制，本實驗只是初步的探索，通過探究濕度對光線透過的影響，來引起相關(guān)人士的重視.

2 分析人工造霧的必要性和造霧方法

2.1 必要性

1) 本實驗需要相對封閉的實驗環(huán)境，自然環(huán)境復(fù)雜多變封閉性差，不能滿足實驗需求.

2) 人工造霧較易控制霧氣濃度，使產(chǎn)生的霧氣在水面上的玻璃空間內(nèi)產(chǎn)生穩(wěn)定的濃度梯度，便于測量2層玻璃間不同濕度對應(yīng)的透過光功率.

3) 實驗要求霧氣具有一定的穩(wěn)定性，應(yīng)盡量減弱實驗過程與實驗環(huán)境的空氣流動.

4) 研究濕度對透過光功率的影響，應(yīng)在灰塵、顆粒等雜質(zhì)相對較少的空間中進行測量.

以上4點說明，實驗不能利用自然環(huán)境中的霧氣進行實驗，必須在實驗室中進行.

2.2 造霧方法

實驗中的“霧”實質(zhì)上是飽和空氣中的水汽因溫度下降而凝結(jié)成的小水珠，因此實驗采用晶振片霧化器所產(chǎn)生的霧化水汽來模擬霧氣. 在實驗所用雙層玻璃的水槽中加入適量的水，并將小型霧化器放入水中，使晶振片接近于水面，從而產(chǎn)生人造霧氣. 但由于產(chǎn)生霧氣時會有水滴隨震動而彈出，影響濕度和透過光功率的測量，所以將霧化器置于雙層玻璃間的邊角位置，待霧氣產(chǎn)生并穩(wěn)定后，在霧化器另一側(cè)進行實驗.

3 實驗過程

3.1 實驗器材

實驗器材見表1，所用器材數(shù)量均為1個.

表1 實驗器材

3.2 實驗原理

光功率是光在單位時間內(nèi)所做的功. 光線透過不同介質(zhì)時由于反射與折射使能量耗散，降低光功率，水霧由空氣中漂浮的微小水滴組成，光線透過霧氣時在水滴間發(fā)生漫反射與折射，當透過霧氣時光功率降低，實驗利用光的這一特性研究空氣濕度對光功率的阻礙效應(yīng). 為防止?jié)駳庠诓ＡП砻婺Y(jié)成小水珠影響實驗結(jié)果，應(yīng)在容器測量面內(nèi)壁加裝1層疏水膜.

3.3 實驗步驟

3.3.1 測量濕度對自然光透過率的影響

1)如圖1所示，在玻璃裝置的一側(cè)50 cm處安置光源，本組實驗采用25 W白熾燈作為光源，模擬日常室內(nèi)光線. 在另一側(cè)與光源正對位置距玻璃20 cm處放置光功率計. 在產(chǎn)生霧氣前先測出正常情況下光功率計的讀數(shù)以及空氣濕度計讀數(shù).

(a)

(b)圖1 實驗裝置圖

2)接通霧化器電源，將玻璃箱內(nèi)底部霧化器打開，待箱內(nèi)霧氣較穩(wěn)定且自下而上有明顯的霧氣濃度梯度時，開始測量數(shù)據(jù).

3)測量數(shù)據(jù)：以距容器頂部2 cm處為起點，保持光源與光功率計在同一水平面，將濕度計緩慢放入霧氣中，固定于容器壁上，并與光源、光功率計處于相同高度. 儀器放置好后等待2 min，保證霧氣再次穩(wěn)定，同時讀取空氣濕度計讀數(shù)與光功率計讀數(shù).

4)將光源、光功率計及空氣濕度計分別下移2 cm，重復(fù)上一步驟，直至測量點移動到距玻璃頂部37 cm為止.

5)光透過率=透過光功率/底光功率. 將試驗數(shù)據(jù)輸入Matlab軟件，經(jīng)過Matlab軟件進行數(shù)據(jù)描點，做出透過光功率隨濕度變化的大致曲線，即可直觀反映出空氣凈濕度對光線透過的影響. 圖2為其中1組次變化曲線.

圖2 白熾燈下的透過率實驗曲線

6)重復(fù)以上實驗內(nèi)容，得到多組實驗數(shù)據(jù)，5組以上為宜，以減少誤差.

3.3.2 測量濕度對激光透過率的影響

采用紅色激光(635 nm，3 mW)作為光源[4]，探究在單色光條件下空氣濕度對光透過率的影響與自然光的關(guān)系. 實驗步驟與3.3.1相同，但將白熾燈換成激光光源.

圖3為1組激光光源實驗所得的透過光功率隨濕度變化的曲線.

圖3 激光下的實驗曲線

4 數(shù)據(jù)分析

經(jīng)過多組實驗測量取平均值后，分別得到了在激光光源與白熾燈光源下的實驗數(shù)據(jù). 對數(shù)據(jù)進行分析后，分別嘗試用單一的二次、三次函數(shù)及指數(shù)函數(shù)對實驗數(shù)據(jù)進行擬合，希望能得到較為合理的擬合函數(shù)對實驗曲線進行描述，但均沒有得到理想結(jié)果，最后用分段函數(shù)形式進行擬合，發(fā)現(xiàn)可以對曲線進行較好的描述. 本次實驗數(shù)據(jù)如表1所示. 根據(jù)表1中數(shù)據(jù)可以求出自然光實驗函數(shù)為

激光實驗函數(shù)為

表1 實驗數(shù)據(jù)

5 實驗結(jié)論

實驗結(jié)果表明：無論白熾燈光與激光，光線在固定厚度的玻璃層間的透過率均隨空氣濕度的增大而降低，濕度90%以下時光線透過率隨濕度增大變化很小，但在濕度超過90%后，透過光功率隨濕度的增大急劇降低，說明此時霧氣對光的阻隔作用很明顯. 而在實驗數(shù)據(jù)上，濕度在90%白熾光的光線透過率總體比激光的光線透過率小，而濕度大于90%以上白熾光光線透過率隨濕度增加降低速率超過激光，這是因為激光有會聚度極高、穿透性極強特性[5]. 在實驗中，使光透過率急劇降低至人眼無法透過玻璃觀察對面的最低濃度均在99%左右，即要使光線被霧氣遮蓋達到遮擋視線的效果，必須將濕度提升至99%以上.

6 對空氣可見度解釋以及應(yīng)用

從實驗數(shù)據(jù)中可以看出，若排除外界因素，只考慮濕度對光線透過的影響，在濕度為90%以下時，光透過率基本不受空氣濕度影響，而在濕度超過90%后，自然光透過率隨濕度增加而急劇減小. 日常生活中，空氣濕度一般在40%至70%之間，而在該濕度范圍內(nèi)，光線透過率隨濕度變化不明顯，所以對于一般性的空氣可見度不佳情況，濕度影響可忽略不計，空氣中漂浮的小顆粒以及煙霧等容易造成光散射的物質(zhì)，才應(yīng)是其主導(dǎo)因素. 若要研究空氣中霧霾對視線的影響，還可以在今后的實驗中加入煙霧、灰塵等物質(zhì)，從而找出使空氣能見度降低的主要原因.

實驗直觀地展現(xiàn)了透過光強隨濕度變化的大致規(guī)律，但僅僅是在純水汽條件下的探究，可作為更加復(fù)雜的相關(guān)實驗的實驗基礎(chǔ)，如探究在有其他氣體或液態(tài)蒸汽下光透過率與蒸汽濃度的關(guān)系，探究在有粉塵條件下霧氣濃度對光線透過率的影響，或探究在其他透明材料下空氣濕度對光透過率的影響. 在生活中進一步開發(fā)此方面的應(yīng)用，比如透明度可控的雙層玻璃門，在雙層玻璃間安裝霧氣發(fā)生器以及濕度探測器，在濕度可控的條件下即可控制玻璃門的透明度，既實現(xiàn)傳統(tǒng)意義上門的作用，又可將工藝設(shè)計融入其中，為家居設(shè)計提供了新的思路. 同時，在商業(yè)性的旅館、會所以及面向公眾的商業(yè)場所，可將本實驗成果應(yīng)用到裝潢設(shè)計上. 甚至可作為新型墻壁制造的實驗基礎(chǔ)，開發(fā)制造可利用水汽控制透明度的墻壁，進而設(shè)計可透明、可封閉新型建筑，應(yīng)用前景極為廣泛. 在軍事上，可將其作為新式視野屏蔽用具的開發(fā)基礎(chǔ)，設(shè)計出重量輕，易于攜帶，又能有效封鎖視野的屏障護具，當然，制作材料要選用其他透明材料. 在藝術(shù)方面，可作為舞臺背景及裝飾道具的開發(fā)基礎(chǔ)，創(chuàng)造出新的藝術(shù)、視覺感受.

參考文獻：

[1] 呂正，呂亮. 霧燈穿透能力最佳波長的實驗確定[J]. 應(yīng)用光學(xué)，2008,29(4)：530-532.

[2] 袁縱橫,張靜,張文濤,等. 雙波長激光傳輸特性的室內(nèi)模擬實驗研究[J]. 激光技術(shù),2010,34(4):478-481.

[3] 肖翔，趙曉路，盧連成,等. 霧化室霧氣濃度分布的數(shù)值模擬研究[J]. 工程熱物理學(xué)報，2005，26(5)：776-778.

[4] 夏琳茜. 一種基于近紅外光譜透霧系統(tǒng)的原理與實現(xiàn)[J]. 紅外與激光工程,2007,36(z1):234-237.

[5] 夏克文,宋建平. 激光光纖核測井技術(shù)[J]. 石油儀器,2001,15(2):8-10.