光聲效應(yīng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)分析
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摘要：搭建了教學(xué)用光聲效應(yīng)實(shí)驗(yàn)裝置，使用3種粒度的硅粉進(jìn)行掃頻光聲檢測(cè)，比較了非共振頻率區(qū)和共振頻率區(qū)的硅粉光聲信號(hào)幅值特征．該實(shí)驗(yàn)裝置為學(xué)生開展光聲效應(yīng)實(shí)驗(yàn)提供了基礎(chǔ)平臺(tái)，基于此平臺(tái)可以設(shè)計(jì)光聲盒，測(cè)量固體材料的熱學(xué)參量，開發(fā)調(diào)制電路和數(shù)字鎖相放大器．
關(guān)鍵詞：光聲效應(yīng)；幅頻特性；掃頻光聲檢測(cè)
物質(zhì)在強(qiáng)度調(diào)制光束的照射下會(huì)在其內(nèi)部或其耦合氣體中產(chǎn)生聲信號(hào)，這種現(xiàn)象被稱為光聲效應(yīng)［1－2］．1880年A．G．Bell首次報(bào)道了光聲效應(yīng)，1938年光聲效應(yīng)開始在氣體波譜測(cè)量和成分分析領(lǐng)域使用，1973年以后光聲效應(yīng)被應(yīng)用于非氣態(tài)物質(zhì)物性分析，現(xiàn)已發(fā)展成在自然科學(xué)、工程技術(shù)的諸多領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用的光聲檢測(cè)技術(shù)［3－9］．光聲檢測(cè)技術(shù)能測(cè)定物質(zhì)的吸收光譜、熱學(xué)參量，能對(duì)固體材料進(jìn)行深度剖面分析．鑒于光聲檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用的廣泛性，本文介紹一套自行搭建的教學(xué)用光聲檢測(cè)實(shí)驗(yàn)裝置．利用該裝置學(xué)生能進(jìn)行光聲效應(yīng)原理實(shí)驗(yàn)，獲得光聲信號(hào)依賴于被測(cè)樣品的光學(xué)和熱學(xué)性質(zhì)的感性認(rèn)識(shí)，理解光聲檢測(cè)技術(shù)的內(nèi)涵．
1實(shí)驗(yàn)原理及裝置
是光聲效應(yīng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)框圖．在激光器電源的驅(qū)動(dòng)下，半導(dǎo)體激光器發(fā)出強(qiáng)度調(diào)制光束．激光束透過光聲盒的玻璃窗口，投射到被測(cè)樣品表面．樣品吸收光能，向緊鄰樣品表面的邊界（氣體）層傳導(dǎo)周期性熱流，導(dǎo)致邊界層溫度的周期性變化和邊界層的周期性膨脹、收縮．這像1只活塞推動(dòng)光聲盒內(nèi)氣柱的其余部分產(chǎn)生聲壓信號(hào)［1］．聲壓信號(hào)由傳聲器及其前置放大器轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)．光聲電壓信號(hào)輸入鎖相放大器檢測(cè)并輸入示波器顯示．激光器電源的調(diào)制信號(hào)和示波器的同步觸發(fā)信號(hào)均來自鎖相放大器的TTL信號(hào)輸出．TTL信號(hào)的頻率決定激光強(qiáng)度的調(diào)制頻率以及光聲信號(hào)的頻率．該頻率可通過鎖相放大器前面板上的頻率調(diào)節(jié)手輪選定．光聲信號(hào)通常很微弱，需要采用鎖相（對(duì)周期信號(hào)）、取樣積分（對(duì)重復(fù)脈沖信號(hào)）等微弱信號(hào)檢測(cè)技術(shù)將其從較強(qiáng)的噪聲背景中檢出．只有當(dāng)光聲信號(hào)足夠大時(shí)，才能直接供示波器顯示．由于采用連續(xù)波調(diào)制的半導(dǎo)體激光器（上海熙隆光電科技有限公司，型號(hào)DL－450－1200－T2，波長(zhǎng)450nm，功率1．2W）作為光聲信號(hào)的激勵(lì)源，被測(cè)樣品又為對(duì)光易吸收的粉末，實(shí)驗(yàn)裝置中既使用了鎖相放大器（美國(guó)StanfordResearchSys－tem，型號(hào)SR830，頻率范圍1mHz～102．4kHz）來檢測(cè)光聲信號(hào)的幅值和相位，又使用了普通示波器直接顯示光聲信號(hào)波形．實(shí)驗(yàn)裝置中，光聲盒由一只1″水管內(nèi)絲銅三通接頭制作．為保證光聲盒的密封性，在三通接頭的上端面用環(huán)氧樹脂膠接窗口玻璃，在三通接頭的下端和水平出口端擰上纏有密封帶的堵頭．傳聲器選用6mm×5mm的駐極體傳聲器，用密封帶包緊塞入三通接頭水平出口端堵頭中心預(yù)鉆的小孔．傳聲器的前置放大器為自制電路．圖2為實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)物照片，圖2（b）局部放大照片的上端為激光器，下端為光聲盒．
2實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、過程及結(jié)果
2．1不同粒度硅粉的掃頻光聲檢測(cè)
為檢驗(yàn)實(shí)驗(yàn)裝置的性能，首先進(jìn)行了3種粒度硅粉的掃頻光聲檢測(cè)實(shí)驗(yàn)．實(shí)驗(yàn)過程是：1）將已篩分好的－200～＋280目、－100～＋200目和＋100目99．5％純度硅粉分次裝入光聲盒的下堵頭底部，并將堵頭擰入光聲盒下端口．2）將光聲盒置于激光器下方，調(diào)整光聲盒的水平位置，使激光束（光斑大小3mm×3mm）照射到硅粉區(qū)域中央．3）在鎖相放大器的前面板上，緩慢旋轉(zhuǎn)頻率調(diào)節(jié)手輪改變激光調(diào)制頻率，觀察光聲信號(hào)幅值的變化；在頻率改變較大而光聲信號(hào)幅值仍單調(diào)上升／下降和光聲信號(hào)出現(xiàn)極值情況下，暫停改變頻率，記錄光聲信號(hào)的幅值和相位．實(shí)驗(yàn)時(shí)，激光功率為0．6W，頻率掃描覆蓋整個(gè)音頻范圍．圖3給出了3種粒度硅粉的光聲信號(hào)幅值隨激光調(diào)制頻率的變化．圖3中曲線有一系列峰值結(jié)構(gòu)，并且峰值出現(xiàn)的位置基本一致．這些峰值由光聲腔內(nèi)三維聲場(chǎng)的共振效應(yīng)造成的．
2．2不同光聲腔長(zhǎng)下的硅粉掃頻光聲檢測(cè)
為驗(yàn)明圖3的光聲信號(hào)幅值－頻率曲線共振峰的影響因素，取同一粒度的硅粉進(jìn)行不同光聲腔長(zhǎng)下的掃頻光聲檢測(cè)實(shí)驗(yàn)．實(shí)驗(yàn)過程和實(shí)驗(yàn)參量與2．1基本相同，不同的是：將－200～＋280目硅粉盛于一倒置塑料小瓶蓋中，但瓶蓋在光聲盒中的擱置高度不同．瓶蓋擱置高度越高，離窗口玻璃越近，光聲腔長(zhǎng)越短．利用不同高度的紙筒托起瓶蓋就能改變光聲腔長(zhǎng)．圖4給出了3種光聲腔長(zhǎng)下同一粒度硅粉的光聲信號(hào)幅值隨激光調(diào)制頻率的變化，其中的實(shí)線、虛線、點(diǎn)線分別對(duì)應(yīng)長(zhǎng)（硅粉直接盛于下堵頭內(nèi)）、中（硅粉高度在三通接頭中間）、短（硅粉高度達(dá)到三通接頭水平孔上端）3種光聲腔長(zhǎng)．圖中各條曲線均出現(xiàn)一系列共振峰，但共振峰的位置不再相同，因?yàn)楣饴暻坏倪吔鐥l件改變了．2．3在非共振頻率區(qū)和共振頻率區(qū)的硅粉光聲信號(hào)比較以上2組實(shí)驗(yàn)說明：光聲信號(hào)幅值－頻率曲線的峰值結(jié)構(gòu)主要由光聲腔的結(jié)構(gòu)影響所致；對(duì)于一定結(jié)構(gòu)的光聲腔，會(huì)有一定的聲場(chǎng)共振峰．利用該現(xiàn)象，可在共振頻率處進(jìn)行光聲檢測(cè)，以得到較大幅值的光聲信號(hào)，提高檢測(cè)精度．這組實(shí)驗(yàn)就是在非共振頻率區(qū)和共振頻率區(qū)進(jìn)行不同粒度硅粉的光聲檢測(cè)．實(shí)驗(yàn)時(shí)，激光功率為1W，在非共振頻率區(qū)和共振頻率區(qū)的頻率掃描均按10Hz的步距．其余實(shí)驗(yàn)過程和實(shí)驗(yàn)參量與2．1相同．圖5和圖6給出了3種粒度硅粉分別在非共振頻率區(qū)和共振頻率區(qū)的光聲信號(hào)幅值隨激光調(diào)制頻率的變化．在圖5中，非共振頻率區(qū)的光聲信號(hào)幅值－頻率曲線表現(xiàn)出很好的信號(hào)幅值與粉末粒度的相關(guān)性，粉末粒度越小，光聲信號(hào)幅值越大．這是由于粉末粒度越小，樣品吸收光能的有效表面積越大，吸收光的能力越強(qiáng)．另外，頻率越低，光聲信號(hào)幅值越大．在圖6中，共振頻率區(qū)的光聲信號(hào)幅值－頻率曲線也表現(xiàn)出信號(hào)幅值與粉末粒度的相關(guān)性，粉末粒度越小，光聲信號(hào)峰值越大．圖中各峰值的頻率并不一致，這是由于在下堵頭加裝的硅粉高度有一定差別造成的．
光聲信號(hào)既與被測(cè)樣品的光吸收特性（吸收光譜、吸收系數(shù)）、熱學(xué)特性（熱傳導(dǎo)率、密度、比熱）有關(guān)，又與光聲腔的結(jié)構(gòu)、電聲檢測(cè)系統(tǒng)的性能有關(guān)．上述實(shí)驗(yàn)裝置只是為學(xué)生開展光聲效應(yīng)實(shí)驗(yàn)提供了基礎(chǔ)平臺(tái)．基于此平臺(tái)可開展多個(gè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目．1）光聲盒設(shè)計(jì)光聲盒是光聲檢測(cè)裝置的核心元件．上述實(shí)驗(yàn)裝置中的光聲盒由水管三通接頭制作，它具有理想光聲盒的基本功能———容納被測(cè)樣品、安置傳聲器、與外部環(huán)境隔聲、通過激勵(lì)光束，但它沒有全面遵循光聲盒的設(shè)計(jì)原則，其頻率響應(yīng)特性、光聲效應(yīng)強(qiáng)度不佳．讓學(xué)生參與到光聲盒的設(shè)計(jì)、制作和檢驗(yàn)中，有助于他們掌握光聲檢測(cè)技術(shù)的核心知識(shí)，培養(yǎng)科研工作能力．2）固體材料熱學(xué)參量測(cè)量熱性能是材料的重要參量，建筑、航空航天、機(jī)械制造、家用電器等許多行業(yè)均需測(cè)量材料的熱學(xué)參量，而光聲檢測(cè)技術(shù)適用于材料熱學(xué)參量的測(cè)量［10］．通過這類實(shí)驗(yàn)，學(xué)生可以在測(cè)量理論模型的建立、實(shí)驗(yàn)參量的選取、實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的標(biāo)定、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理與分析等方面得到系統(tǒng)訓(xùn)練．3）調(diào)制電路和數(shù)字鎖相放大器開發(fā)本文介紹的實(shí)驗(yàn)裝置使用了對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)而言價(jià)格偏貴的鎖相放大器．這對(duì)于學(xué)生人數(shù)少的自選類、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目不是問題．對(duì)于較大規(guī)模的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，完全可以選用光聲效應(yīng)強(qiáng)的樣品，用花費(fèi)極少的調(diào)制電路取代鎖相放大器．就像上面提到的硅粉樣品，其光聲信號(hào)幅值在低頻和共振頻率處都很大，用普通示波器就可觀察到（見圖2中示波器顯示的波形）．調(diào)制電路為方波產(chǎn)生電路，學(xué)生可獨(dú)立設(shè)計(jì)、裝配，并可在商品數(shù)據(jù)采集電路基礎(chǔ)上開發(fā)一般性能的數(shù)字鎖相電路及相應(yīng)的軟件．
4結(jié)束語
本文介紹的光聲效應(yīng)實(shí)驗(yàn)裝置為開展物性分析方面的實(shí)驗(yàn)提供了基礎(chǔ)平臺(tái)．利用該裝置，學(xué)生能開展設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)、教學(xué)實(shí)踐、科技創(chuàng)新活動(dòng)類項(xiàng)目的研究：既可基于現(xiàn)有裝置，在材料、制造工藝、環(huán)境監(jiān)測(cè)、生物、醫(yī)藥等專業(yè)課程的學(xué)習(xí)中發(fā)現(xiàn)需求，應(yīng)用光聲檢測(cè)技術(shù)；也可設(shè)計(jì)光學(xué)、聲學(xué)、電子器件，拓展裝置功能．
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作者：王心覺 方愷 倪晨 劉恒彪 單位：同濟(jì)大學(xué)物理科學(xué)與工程學(xué)院