光聲效應實驗教學分析

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摘要：搭建了教學用光聲效應實驗裝置，使用3種粒度的硅粉進行掃頻光聲檢測，比較了非共振頻率區(qū)和共振頻率區(qū)的硅粉光聲信號幅值特征．該實驗裝置為學生開展光聲效應實驗提供了基礎平臺，基于此平臺可以設計光聲盒，測量固體材料的熱學參量，開發(fā)調制電路和數(shù)字鎖相放大器．

關鍵詞：光聲效應；幅頻特性；掃頻光聲檢測

物質在強度調制光束的照射下會在其內部或其耦合氣體中產生聲信號，這種現(xiàn)象被稱為光聲效應［1－2］．1880年A．G．Bell首次報道了光聲效應，1938年光聲效應開始在氣體波譜測量和成分分析領域使用，1973年以后光聲效應被應用于非氣態(tài)物質物性分析，現(xiàn)已發(fā)展成在自然科學、工程技術的諸多領域有著廣泛應用的光聲檢測技術［3－9］．光聲檢測技術能測定物質的吸收光譜、熱學參量，能對固體材料進行深度剖面分析．鑒于光聲檢測技術應用的廣泛性，本文介紹一套自行搭建的教學用光聲檢測實驗裝置．利用該裝置學生能進行光聲效應原理實驗，獲得光聲信號依賴于被測樣品的光學和熱學性質的感性認識，理解光聲檢測技術的內涵．

1實驗原理及裝置

是光聲效應實驗系統(tǒng)框圖．在激光器電源的驅動下，半導體激光器發(fā)出強度調制光束．激光束透過光聲盒的玻璃窗口，投射到被測樣品表面．樣品吸收光能，向緊鄰樣品表面的邊界（氣體）層傳導周期性熱流，導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只活塞推動光聲盒內氣柱的其余部分產生聲壓信號［1］．聲壓信號由傳聲器及其前置放大器轉換成電壓信號．光聲電壓信號輸入鎖相放大器檢測并輸入示波器顯示．激光器電源的調制信號和示波器的同步觸發(fā)信號均來自鎖相放大器的TTL信號輸出．TTL信號的頻率決定激光強度的調制頻率以及光聲信號的頻率．該頻率可通過鎖相放大器前面板上的頻率調節(jié)手輪選定．光聲信號通常很微弱，需要采用鎖相（對周期信號）、取樣積分（對重復脈沖信號）等微弱信號檢測技術將其從較強的噪聲背景中檢出．只有當光聲信號足夠大時，才能直接供示波器顯示．由于采用連續(xù)波調制的半導體激光器（上海熙隆光電科技有限公司，型號DL－450－1200－T2，波長450nm，功率1．2W）作為光聲信號的激勵源，被測樣品又為對光易吸收的粉末，實驗裝置中既使用了鎖相放大器（美國StanfordResearchSys－tem，型號SR830，頻率范圍1mHz～102．4kHz）來檢測光聲信號的幅值和相位，又使用了普通示波器直接顯示光聲信號波形．實驗裝置中，光聲盒由一只1″水管內絲銅三通接頭制作．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鉆的小孔．傳聲器的前置放大器為自制電路．圖2為實驗裝置實物照片，圖2（b）局部放大照片的上端為激光器，下端為光聲盒．

2實驗內容、過程及結果

2．1不同粒度硅粉的掃頻光聲檢測

為檢驗實驗裝置的性能，首先進行了3種粒度硅粉的掃頻光聲檢測實驗．實驗過程是：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，緩慢旋轉頻率調節(jié)手輪改變激光調制頻率，觀察光聲信號幅值的變化；在頻率改變較大而光聲信號幅值仍單調上升／下降和光聲信號出現(xiàn)極值情況下，暫停改變頻率，記錄光聲信號的幅值和相位．實驗時，激光功率為0．6W，頻率掃描覆蓋整個音頻范圍．圖3給出了3種粒度硅粉的光聲信號幅值隨激光調制頻率的變化．圖3中曲線有一系列峰值結構，并且峰值出現(xiàn)的位置基本一致．這些峰值由光聲腔內三維聲場的共振效應造成的．

2．2不同光聲腔長下的硅粉掃頻光聲檢測

為驗明圖3的光聲信號幅值－頻率曲線共振峰的影響因素，取同一粒度的硅粉進行不同光聲腔長下的掃頻光聲檢測實驗．實驗過程和實驗參量與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，光聲腔長越短．利用不同高度的紙筒托起瓶蓋就能改變光聲腔長．圖4給出了3種光聲腔長下同一粒度硅粉的光聲信號幅值隨激光調制頻率的變化，其中的實線、虛線、點線分別對應長（硅粉直接盛于下堵頭內）、中（硅粉高度在三通接頭中間）、短（硅粉高度達到三通接頭水平孔上端）3種光聲腔長．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，因為光聲腔的邊界條件改變了．2．3在非共振頻率區(qū)和共振頻率區(qū)的硅粉光聲信號比較以上2組實驗說明：光聲信號幅值－頻率曲線的峰值結構主要由光聲腔的結構影響所致；對于一定結構的光聲腔，會有一定的聲場共振峰．利用該現(xiàn)象，可在共振頻率處進行光聲檢測，以得到較大幅值的光聲信號，提高檢測精度．這組實驗就是在非共振頻率區(qū)和共振頻率區(qū)進行不同粒度硅粉的光聲檢測．實驗時，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．其余實驗過程和實驗參量與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)的光聲信號幅值隨激光調制頻率的變化．在圖5中，非共振頻率區(qū)的光聲信號幅值－頻率曲線表現(xiàn)出很好的信號幅值與粉末粒度的相關性，粉末粒度越小，光聲信號幅值越大．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．另外，頻率越低，光聲信號幅值越大．在圖6中，共振頻率區(qū)的光聲信號幅值－頻率曲線也表現(xiàn)出信號幅值與粉末粒度的相關性，粉末粒度越小，光聲信號峰值越大．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．

3實驗教學討論

光聲信號既與被測樣品的光吸收特性（吸收光譜、吸收系數(shù)）、熱學特性（熱傳導率、密度、比熱）有關，又與光聲腔的結構、電聲檢測系統(tǒng)的性能有關．上述實驗裝置只是為學生開展光聲效應實驗提供了基礎平臺．基于此平臺可開展多個實驗教學項目．1）光聲盒設計光聲盒是光聲檢測裝置的核心元件．上述實驗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———容納被測樣品、安置傳聲器、與外部環(huán)境隔聲、通過激勵光束，但它沒有全面遵循光聲盒的設計原則，其頻率響應特性、光聲效應強度不佳．讓學生參與到光聲盒的設計、制作和檢驗中，有助于他們掌握光聲檢測技術的核心知識，培養(yǎng)科研工作能力．2）固體材料熱學參量測量熱性能是材料的重要參量，建筑、航空航天、機械制造、家用電器等許多行業(yè)均需測量材料的熱學參量，而光聲檢測技術適用于材料熱學參量的測量［10］．通過這類實驗，學生可以在測量理論模型的建立、實驗參量的選取、實驗系統(tǒng)的標定、實驗數(shù)據(jù)的處理與分析等方面得到系統(tǒng)訓練．3）調制電路和數(shù)字鎖相放大器開發(fā)本文介紹的實驗裝置使用了對實驗教學而言價格偏貴的鎖相放大器．這對于學生人數(shù)少的自選類、設計性實驗項目不是問題．對于較大規(guī)模的實驗教學，完全可以選用光聲效應強的樣品，用花費極少的調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）．調制電路為方波產生電路，學生可獨立設計、裝配，并可在商品數(shù)據(jù)采集電路基礎上開發(fā)一般性能的數(shù)字鎖相電路及相應的軟件．

4結束語

本文介紹的光聲效應實驗裝置為開展物性分析方面的實驗提供了基礎平臺．利用該裝置，學生能開展設計性實驗、教學實踐、科技創(chuàng)新活動類項目的研究：既可基于現(xiàn)有裝置，在材料、制造工藝、環(huán)境監(jiān)測、生物、醫(yī)藥等專業(yè)課程的學習中發(fā)現(xiàn)需求，應用光聲檢測技術；也可設計光學、聲學、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：同濟大學物理科學與工程學院