光声效应实验教学分析

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摘要：搭建了教学用光声效应实验装置，使用3种粒度的硅粉进行扫频光声检测，比较了非共振频率区和共振频率区的硅粉光声信号幅值特征．该实验装置为学生开展光声效应实验提供了基础平台，基于此平台可以设计光声盒，测量固体材料的热学参量，开发调制电路和数字锁相放大器．

关键词：光声效应；幅频特性；扫频光声检测

物质在强度调制光束的照射下会在其内部或其耦合气体中产生声信号，这种现象被称为光声效应［1－2］．1880年A．G．Bell首次报道了光声效应，1938年光声效应开始在气体波谱测量和成分分析领域使用，1973年以后光声效应被应用于非气态物质物性分析，现已发展成在自然科学、工程技术的诸多领域有着广泛应用的光声检测技术［3－9］．光声检测技术能测定物质的吸收光谱、热学参量，能对固体材料进行深度剖面分析．鉴于光声检测技术应用的广泛性，本文介绍一套自行搭建的教学用光声检测实验装置．利用该装置学生能进行光声效应原理实验，获得光声信号依赖于被测样品的光学和热学性质的感性认识，理解光声检测技术的内涵．

1实验原理及装置

是光声效应实验系统框图．在激光器电源的驱动下，半导体激光器发出强度调制光束．激光束透过光声盒的玻璃窗口，投射到被测样品表面．样品吸收光能，向紧邻样品表面的边界（气体）层传导周期性热流，导致边界层温度的周期性变化和边界层的周期性膨胀、收缩．这像1只活塞推动光声盒内气柱的其余部分产生声压信号［1］．声压信号由传声器及其前置放大器转换成电压信号．光声电压信号输入锁相放大器检测并输入示波器显示．激光器电源的调制信号和示波器的同步触发信号均来自锁相放大器的TTL信号输出．TTL信号的频率决定激光强度的调制频率以及光声信号的频率．该频率可通过锁相放大器前面板上的频率调节手轮选定．光声信号通常很微弱，需要采用锁相（对周期信号）、取样积分（对重复脉冲信号）等微弱信号检测技术将其从较强的噪声背景中检出．只有当光声信号足够大时，才能直接供示波器显示．由于采用连续波调制的半导体激光器（上海熙隆光电科技有限公司，型号DL－450－1200－T2，波长450nm，功率1．2W）作为光声信号的激励源，被测样品又为对光易吸收的粉末，实验装置中既使用了锁相放大器（美国StanfordResearchSys－tem，型号SR830，频率范围1mHz～102．4kHz）来检测光声信号的幅值和相位，又使用了普通示波器直接显示光声信号波形．实验装置中，光声盒由一只1″水管内丝铜三通接头制作．为保证光声盒的密封性，在三通接头的上端面用环氧树脂胶接窗口玻璃，在三通接头的下端和水平出口端拧上缠有密封带的堵头．传声器选用6mm×5mm的驻极体传声器，用密封带包紧塞入三通接头水平出口端堵头中心预钻的小孔．传声器的前置放大器为自制电路．图2为实验装置实物照片，图2（b）局部放大照片的上端为激光器，下端为光声盒．

2实验内容、过程及结果

2．1不同粒度硅粉的扫频光声检测

为检验实验装置的性能，首先进行了3种粒度硅粉的扫频光声检测实验．实验过程是：1）将已筛分好的－200～＋280目、－100～＋200目和＋100目99．5％纯度硅粉分次装入光声盒的下堵头底部，并将堵头拧入光声盒下端口．2）将光声盒置于激光器下方，调整光声盒的水平位置，使激光束（光斑大小3mm×3mm）照射到硅粉区域中央．3）在锁相放大器的前面板上，缓慢旋转频率调节手轮改变激光调制频率，观察光声信号幅值的变化；在频率改变较大而光声信号幅值仍单调上升／下降和光声信号出现极值情况下，暂停改变频率，记录光声信号的幅值和相位．实验时，激光功率为0．6W，频率扫描覆盖整个音频范围．图3给出了3种粒度硅粉的光声信号幅值随激光调制频率的变化．图3中曲线有一系列峰值结构，并且峰值出现的位置基本一致．这些峰值由光声腔内三维声场的共振效应造成的．

2．2不同光声腔长下的硅粉扫频光声检测

为验明图3的光声信号幅值－频率曲线共振峰的影响因素，取同一粒度的硅粉进行不同光声腔长下的扫频光声检测实验．实验过程和实验参量与2．1基本相同，不同的是：将－200～＋280目硅粉盛于一倒置塑料小瓶盖中，但瓶盖在光声盒中的搁置高度不同．瓶盖搁置高度越高，离窗口玻璃越近，光声腔长越短．利用不同高度的纸筒托起瓶盖就能改变光声腔长．图4给出了3种光声腔长下同一粒度硅粉的光声信号幅值随激光调制频率的变化，其中的实线、虚线、点线分别对应长（硅粉直接盛于下堵头内）、中（硅粉高度在三通接头中间）、短（硅粉高度达到三通接头水平孔上端）3种光声腔长．图中各条曲线均出现一系列共振峰，但共振峰的位置不再相同，因为光声腔的边界条件改变了．2．3在非共振频率区和共振频率区的硅粉光声信号比较以上2组实验说明：光声信号幅值－频率曲线的峰值结构主要由光声腔的结构影响所致；对于一定结构的光声腔，会有一定的声场共振峰．利用该现象，可在共振频率处进行光声检测，以得到较大幅值的光声信号，提高检测精度．这组实验就是在非共振频率区和共振频率区进行不同粒度硅粉的光声检测．实验时，激光功率为1W，在非共振频率区和共振频率区的频率扫描均按10Hz的步距．其余实验过程和实验参量与2．1相同．图5和图6给出了3种粒度硅粉分别在非共振频率区和共振频率区的光声信号幅值随激光调制频率的变化．在图5中，非共振频率区的光声信号幅值－频率曲线表现出很好的信号幅值与粉末粒度的相关性，粉末粒度越小，光声信号幅值越大．这是由于粉末粒度越小，样品吸收光能的有效表面积越大，吸收光的能力越强．另外，频率越低，光声信号幅值越大．在图6中，共振频率区的光声信号幅值－频率曲线也表现出信号幅值与粉末粒度的相关性，粉末粒度越小，光声信号峰值越大．图中各峰值的频率并不一致，这是由于在下堵头加装的硅粉高度有一定差别造成的．

3实验教学讨论

光声信号既与被测样品的光吸收特性（吸收光谱、吸收系数）、热学特性（热传导率、密度、比热）有关，又与光声腔的结构、电声检测系统的性能有关．上述实验装置只是为学生开展光声效应实验提供了基础平台．基于此平台可开展多个实验教学项目．1）光声盒设计光声盒是光声检测装置的核心元件．上述实验装置中的光声盒由水管三通接头制作，它具有理想光声盒的基本功能———容纳被测样品、安置传声器、与外部环境隔声、通过激励光束，但它没有全面遵循光声盒的设计原则，其频率响应特性、光声效应强度不佳．让学生参与到光声盒的设计、制作和检验中，有助于他们掌握光声检测技术的核心知识，培养科研工作能力．2）固体材料热学参量测量热性能是材料的重要参量，建筑、航空航天、机械制造、家用电器等许多行业均需测量材料的热学参量，而光声检测技术适用于材料热学参量的测量［10］．通过这类实验，学生可以在测量理论模型的建立、实验参量的选取、实验系统的标定、实验数据的处理与分析等方面得到系统训练．3）调制电路和数字锁相放大器开发本文介绍的实验装置使用了对实验教学而言价格偏贵的锁相放大器．这对于学生人数少的自选类、设计性实验项目不是问题．对于较大规模的实验教学，完全可以选用光声效应强的样品，用花费极少的调制电路取代锁相放大器．就像上面提到的硅粉样品，其光声信号幅值在低频和共振频率处都很大，用普通示波器就可观察到（见图2中示波器显示的波形）．调制电路为方波产生电路，学生可独立设计、装配，并可在商品数据采集电路基础上开发一般性能的数字锁相电路及相应的软件．

4结束语

本文介绍的光声效应实验装置为开展物性分析方面的实验提供了基础平台．利用该装置，学生能开展设计性实验、教学实践、科技创新活动类项目的研究：既可基于现有装置，在材料、制造工艺、环境监测、生物、医药等专业课程的学习中发现需求，应用光声检测技术；也可设计光学、声学、电子器件，拓展装置功能．

参考文献：

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作者：王心觉 方恺 倪晨 刘恒彪 单位：同济大学物理科学与工程学院