光聲效應(yīng)的實驗研究

張鳳云，羅 偉，張利巍

(1.東北石油大學(xué) 電子科學(xué)學(xué)院，黑龍江 大慶 163318；2.黑龍江省高校校企共建測試計量技術(shù)及儀器儀表工程研發(fā)中心，黑龍江 大慶 163318)

光聲效應(yīng)的實驗研究

張鳳云1,2，羅 偉1,2，張利巍1,2

(1.東北石油大學(xué) 電子科學(xué)學(xué)院，黑龍江 大慶 163318；2.黑龍江省高校校企共建測試計量技術(shù)及儀器儀表工程研發(fā)中心，黑龍江 大慶 163318)

通過控制變量法，探究了影響光聲效應(yīng)的相關(guān)因素，并通過Cool Edit Pro V2.1聲音分析軟件將其收錄的聲音進行了定量測量和研究，實驗測量結(jié)果與理論解釋相符合.

光聲效應(yīng)；頻譜分析；頻閃燈

19世紀(jì)末Bell發(fā)現(xiàn)了光聲效應(yīng), 隨著光纖、激光技術(shù)、壓電陶瓷技術(shù)以及計算機技術(shù)的發(fā)展, 針對光聲效應(yīng)的研究和應(yīng)用才受到廣泛關(guān)注[1-4]. 光聲光譜技術(shù)憑借其檢測靈敏度高且可以實現(xiàn)多種微量氣體同時檢測的優(yōu)勢，已發(fā)展成為新興研究領(lǐng)域，是國際上的研究熱點[5-7]. 但是未查到系統(tǒng)地分析影響光聲效應(yīng)實驗的相關(guān)因素和定量測量研究文獻. 本文用自制實驗裝置演示光聲效應(yīng)的產(chǎn)生過程，定量地分析影響光聲效應(yīng)實驗的相關(guān)因素.

1 實驗原理

如圖1所示，將透明玻璃瓶涂成半黑，在密封非常好的玻璃瓶的瓶蓋處打1個小孔，用交流光源照射該玻璃瓶，并在小孔處用麥克風(fēng)接收聲音信號.

圖1 光聲效應(yīng)實驗研究裝置圖

之所以產(chǎn)生聲音，是由于實驗過程中發(fā)生了光—熱—聲轉(zhuǎn)換. 由于被覆蓋煙灰的部分的瓶子是深色，能很好地吸收光并將光能轉(zhuǎn)化成熱能，熱量散射到周圍環(huán)境中，使瓶內(nèi)氣體溫度升高，氣壓變大. 而燈泡通交流電，變化的電流會使得氣壓發(fā)生波動，如果以足夠大的頻率和足夠大的振幅周期性地重復(fù)此過程，氣壓的變化就會造成響聲的出現(xiàn).

本文應(yīng)用光聲效應(yīng)原理，合理選擇實驗儀器和設(shè)備，自行設(shè)計了實驗方案. 通過控制變量法，逐一改變某一變量探究光聲效應(yīng)產(chǎn)生聲音的音量和頻率的影響因素，并通過Cool Edit Pro V2.1聲音分析軟件將其收錄并進行定量地測量研究.

2 實驗裝置

2.1 光源

光聲效應(yīng)實驗要求使用可調(diào)制的光源，經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，用頻閃燈(0～9 999 Hz)和強光手電進行實驗可以用肉耳聽到聲音，因此選用這2個光源. 強光手電是以發(fā)光二極管作為光源的照明工具. 頻閃燈采用21070運動頻閃觀測儀，如圖2所示. 輸出光的頻率為0～9 999 Hz，LED光源輸出的脈沖幅度可調(diào).

圖2 頻閃觀測儀圖

2.2 聲音接受裝置

實驗中接收到的聲音和噪音混合在一起，需要較好的聲音接收裝置接收聲音，用聲音分析軟件進行定量地測量和頻譜分析. 選用電容式麥克風(fēng)和華碩 Xonar U7 USB聲卡. Xonar U7 7.1聲道外置USB 聲卡，搭配耳機放大器享有192 kHz/24 bit高采樣率音效，不需外接電源即可享有192 kHz高采樣率的7.1聲道. 麥克風(fēng)音量實時調(diào)整按鈕，114 dB信噪比，最新Dolby?Home Theater V4技術(shù)，極致擬真的環(huán)繞體驗.

2.3 Cool Edit Pro V2.1軟件

Cool Edit Pro 是美國 Adobe Systems 公司開發(fā)的一款功能強大、效果出色的多軌錄音和音頻處理軟件. 本實驗主要用此軟件接收聲音，并測量收集聲音的頻率和響度，然后使用頻譜分析器進行頻譜分析.

3 實驗數(shù)據(jù)和結(jié)果

選用LED強光手電作為光源，玻璃瓶上的涂層材料選擇煙灰，用強光手電照射玻璃瓶內(nèi)的黑色物質(zhì)，瓶口處聽到清晰的聲音. 聲音接收裝置接收的聲音信號如圖3所示.

圖3 光聲效應(yīng)實驗聲音波形圖

3.1 探究聲音音量、頻率與玻璃瓶形狀的關(guān)系

選用4種不同形狀的玻璃瓶進行實驗：1號瓶是直圓筒瓶，高221 mm，直徑76 mm；2號瓶也是直圓筒瓶，高120 mm，直徑76 mm；3號瓶是錐形瓶，高184 mm，瓶口直徑36 mm；4號瓶是橢圓廣口瓶，高166 mm，瓶口直徑70 mm，長軸96 mm，短軸72 mm. 采用頻閃儀作為光源，光源激勵頻率為357 Hz，瓶子的涂層面積一定，采集聲音信號的文件進行快速傅里葉變換得到了頻譜圖像. 1號瓶所發(fā)出的聲音信號處理得到的頻譜圖像如圖4所示，每個瓶子采集到的聲音文件的測量主頻和音量數(shù)據(jù)作圖如圖5所示. 聲音的頻率與玻璃瓶的形狀無關(guān)，與光源的激勵頻率有關(guān)，每個主頻率分別都是光源激勵頻率的倍頻，但聲音的音量與玻璃瓶的形狀有關(guān)，不同形狀的玻璃瓶產(chǎn)生的聲音音量有所不同.

圖4 光聲效應(yīng)實驗聲音頻譜圖

圖5 聲音主頻和音量關(guān)系圖

3.2 探究聲音的音量和頻率與孔的大小的關(guān)系

選用同一瓶子和同一頻率(500 Hz)、光強的光源，分別測量了4種直徑不同的小孔(孔的直徑分別為0.5，1，2.7 cm和廣口瓶)的玻璃瓶所產(chǎn)生的聲音信號，并且通過聲音接收裝置進行了聲音信號的采集，測量數(shù)據(jù)作圖得到圖6. 由圖6可知，聲音的頻率與孔的大小無關(guān)，激勵光源的頻率不變，其大小也不變，但聲音的音量與孔的大小有關(guān)，孔越大聲音越大.

圖6 聲音主頻和音量關(guān)系圖

3.3 探究聲音的音量和頻率與涂層面積的關(guān)系

選擇了4種填涂面積，分別是1/4涂黑、1/2涂黑、3/4涂黑和全黑，同一瓶子和同一頻率(500 Hz)、光強的光源. 通過聲音接收裝置進行了聲音信號的采集，測量數(shù)據(jù)如圖7所示.

圖7 聲音主頻和音量關(guān)系圖

經(jīng)過對實驗數(shù)據(jù)分析可知：聲音的頻率與涂層的面積沒有關(guān)系，與光源的激勵頻率有關(guān)，并且主頻率都是激勵光源的倍頻，聲音的音量與涂層面積有關(guān)系，但不是涂層面積越大聲音越大，而是涂層上接收光的面積越大聲音越大.

3.4 探究聲音的音量和頻率與光源光強的關(guān)系

同一瓶子和同一頻率(500 Hz)的光源，不斷地加強光源光強. 通過聲音接收裝置進行聲音信號的采集，測量數(shù)據(jù)如圖8所示. 聲音的頻率與光源的光強無關(guān)，只與激勵頻率有關(guān)，但聲音的音量與光強有關(guān)，總體趨勢為光強越大、聲音越大.

圖8 聲音主頻和音量關(guān)系圖

3.5 探究聲音的音量和頻率與光源頻率的關(guān)系

光源的光強為引起的最大輸出值0.867 cd，同一瓶子和與光源的距離保持不變，只改變光源的頻率. 通過聲音接收裝置進行了聲音信號的采集，測量數(shù)據(jù)如圖9所示. 由圖9可知，聲音的頻率與光源的頻率有關(guān)，光源頻率越大，聲音的主頻率越大，且聲音的主頻率都是光源頻率的倍頻，聲音的音量與光源的頻率沒有關(guān)系.

圖9 聲音主頻和音量關(guān)系圖

4 結(jié)束語

本文應(yīng)用光聲效應(yīng)原理，改變玻璃瓶的形狀、瓶孔、涂層的面積、光源的光強和頻率，產(chǎn)生聲音的頻率與光源的激勵頻率有關(guān)，并且主頻率都是激勵光源的倍頻. 有效的激勵方式是低頻窄脈沖光，在倍頻系數(shù)n盡量小情況下可得到最佳的實驗效果. 實驗測量結(jié)果與理論解釋相符合.

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[責(zé)任編輯：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

張鳳云(1982-)，女，山東曹縣人，東北石油大學(xué)電子科學(xué)學(xué)院講師，碩士，研究方向為分子與原子物理.

O436

A

1005-4642(2017)07-0021-04