基于駐極體麥克風(fēng)的光壓力演示裝置

韓獻(xiàn)祺，吳麗君，李嘉欣，平宇哲

(沈陽理工大學(xué) a.裝備工程學(xué)院;b.理學(xué)院，遼寧 沈陽 110159)

1864年，麥克斯韋首次提出光壓力，即光照射在物體上會產(chǎn)生壓力. 光對被照射物體單位面積上所施加的壓力為光壓，亦稱為輻射壓強(qiáng)[1]. 1901年，俄國物理學(xué)家彼得·尼古拉耶維奇·列別捷夫首次通過實驗測量出固體所受到的光壓[2]. 若太陽光垂直照射在沒有大氣的地面上，并被地面全部吸收，地面受到的壓強(qiáng)為4.7×10-6N/m2. 光壓是很微小的量，一般為10-7～10-6Pa. 光壓雖小，但卻會影響航天器的飛行軌跡[3]，還可以作為動力推進(jìn)航天器[4]，并能測量高功率激光[5]. 目前，光壓的測量方法有扭秤法[6]、壓電晶體法[7]、平板電容法、薄膜法、液體法等[8]. 美國物理學(xué)家尼科爾斯和哈爾分別用精密實驗測定了光的壓力，但這些實驗原理復(fù)雜、成本高，需要高真空度，對實驗條件要求十分嚴(yán)格，操作難度較大[9].

本文設(shè)計并制作了利用駐極體麥克風(fēng)驗證光壓力的實驗裝置. 此裝置具有無需真空條件、實驗操作簡單、測量結(jié)果顯示度高、零件模塊化、方便維修與更換等優(yōu)點，可用于科普實驗現(xiàn)象演示和物理實驗教學(xué).

1 實驗方案

1.1 實驗簡述

單位面積上光所施加的壓力，是光的壓強(qiáng)；聲壓是傳聲介質(zhì)的壓強(qiáng)變化量，是聲的壓強(qiáng). 光壓與聲壓同為壓強(qiáng)，可將光壓類比為聲壓. 使用聲電轉(zhuǎn)換元件——駐極體麥克風(fēng)，將光壓轉(zhuǎn)變成電信號輸出，再利用放大器放大信號，最后用示波器或指針式萬用表測量信號.

圖1為實驗裝置的原理示意圖.

圖1 實驗裝置的原理示意圖

1.2 實驗原理

壓力會使物體產(chǎn)生形變，因此可以通過測量形變來證明有壓力施加在物體上. 聲壓是易于測量的量，生活中檢測聲壓的常用元件是駐極體麥克風(fēng). 但是，光壓是很微小的量，很難直接測量. 本實驗用光壓替換聲壓，作用于駐極體麥克風(fēng)上，從而間接實現(xiàn)對光壓的測量.

駐極體麥克風(fēng)的結(jié)構(gòu)如圖2所示，其中，最關(guān)鍵的元件是駐極體振動膜與金屬背電極，二者構(gòu)成電容器.

1.金屬背電極 2.駐極體 3.防塵隔膜 4.音(氣)孔 5.金屬墊圈 6.場效應(yīng)管 7.單面敷銅板 8.引腳 9.金屬外殼 10.塑料支架

駐極體振動膜是1片被金屬化了的聚合物膜(或者直接用超薄金屬膜)[10]. 再經(jīng)過駐極，在膜中永久留下電荷，且保持恒定，故駐極體振動膜與金屬背電極構(gòu)成的電容器具有一定量的電荷.

為了能讓光直接照射在駐極體麥克風(fēng)的膜片上，將其上面的防塵隔膜去掉，直接露出下面的小孔. 當(dāng)光通過小孔照射在駐極體麥克風(fēng)的膜片上時，光對膜片施加微小的力，使膜片產(chǎn)生微小的形變，膜片與金屬背電極之間的距離變小.

電容的決定式為

(1)

其中，C為電容，εr為相對介電常量，S為電容極板的正對面積，d為電容極板間的距離，k為靜電力常量.駐極體麥克風(fēng)的電介質(zhì)是空氣，極板面積恒定，所以除極板間距離d外，其余均為不變量.當(dāng)d變小時，由式(1)可知，電容會增大.

電容的定義式為

C=Q/U,

(2)

其中，Q為電荷量，U為電壓.因駐極體振動膜經(jīng)過駐極后帶有一定量的電荷，由式(2)可知，電容增大，電壓減小.若膜以某個頻率振動就會產(chǎn)生周期變化的電壓信號，再經(jīng)過場效應(yīng)管放大，即可得到駐極體麥克風(fēng)輸出的電信號，但是此信號仍然很微弱，因此需要二次放大才可被檢測到.

1.3 可行性分析

因光壓的值過小，所以需要驗證駐極體麥克風(fēng)的靈敏度能否達(dá)到要求.通過將光壓轉(zhuǎn)換為聲壓來驗證.

聲壓級的數(shù)學(xué)表達(dá)式為

(3)

其中，Lp為聲壓級，單位為dB；p0為參考聲壓，其值為2×10-5Pa；p為被測聲壓的有效值,單位為Pa[11].已知光壓的大小一般為10-7～10-6Pa[1]，將其作為被測聲壓的有效值p，代入式(3)，得到結(jié)果為-46.02～-26.02 dB. 計算得到的聲壓級在駐極體麥克風(fēng)的靈敏度(-48～66 dB)范圍內(nèi). 此時得到的是壓強(qiáng)，要得到壓力，需乘以光源照射在膜片上的面積. 故駐極體麥克風(fēng)可以作為感受光壓力的元件.

選擇合適的光源也是使實驗現(xiàn)象明顯的重點之一.激光具有定向發(fā)光、顏色極純的特性.相較于其他光源，選用激光作為光源可以獲得固定頻率并且接近平行的光線.固定頻率可以使激光產(chǎn)生的光壓力恒定，激光的定向發(fā)光可以將光全部照射在麥克風(fēng)的膜片上.故選用激光作為實驗光源.

聲音是機(jī)械波，光是同時具有波動性和粒子性的電磁波.駐極體麥克風(fēng)是接收聲波的元件，有一定的聲波接收面積，只能接收光的粒子性所產(chǎn)生的作用力.在使用激光照射時，激光的作用面積比聲波的作用面積小，甚至是1個點.雖然作用面積和波的類型不同，但是其根本原理是電容，根據(jù)式(1)，麥克風(fēng)的電容變化只與極板間距離d有關(guān)，而距離的變化是作用在膜片上的力使膜片產(chǎn)生了形變引起的，無論力均勻施加在一定面積上還是1個點上，最終的作用效果相同，且本裝置只進(jìn)行定性測量，只要作用效果相同就不會對測量結(jié)果有所影響.

駐極體麥克風(fēng)采集聲音時，聲音使膜片不斷振動，不斷改變駐極體振動膜與金屬背電極之間的距離，進(jìn)而改變電容來產(chǎn)生電壓信號. 而光波不能讓振動膜不斷振動，只能使膜片發(fā)生形變，形變穩(wěn)定后麥克風(fēng)的電容不變，因而麥克風(fēng)只會在光照射的瞬間產(chǎn)生信號，不會連續(xù)產(chǎn)生信號，不容易觀察實驗現(xiàn)象. 因此，使用遮光片將激光進(jìn)行機(jī)械調(diào)制，讓光以間斷的形式照射，即讓駐極體振動膜間斷性受到壓力，模擬聲波驅(qū)動膜片的方式，使膜片以一定的規(guī)律振動，進(jìn)而輸出特定形式的信號. 駐極體麥克風(fēng)是采集聲音的元件，只要麥克風(fēng)采集到外界的噪聲，示波器就會顯示出噪聲的波形. 用機(jī)械調(diào)制后的光照射麥克風(fēng)，得到特定形式的信號，可以有效區(qū)分出噪聲與光推動膜片產(chǎn)生的信號，排除外界穩(wěn)定噪聲的影響.

2 演示實驗裝置

實驗裝置主體如圖3所示，由駐極體麥克風(fēng)、LM386駐極體麥克風(fēng)放大板、遮光片(通過添加配重，使3片遮光片的質(zhì)量相同)、步進(jìn)電機(jī)及驅(qū)動器、單片機(jī)、降壓模塊、12 V電源、示波器、激光筆[(532±10) nm]、指針式萬用表構(gòu)成.

1.步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器 2.激光筆 3.步進(jìn)電機(jī) 4.遮光片 5.駐極體麥克風(fēng) 6.放大板 7.降壓模塊 8.單片機(jī)

實驗裝置由12 V電源供電，在步進(jìn)電機(jī)上安裝遮光片，單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動，讓激光以一定時間間隔照向駐極體麥克風(fēng). 駐極體麥克風(fēng)被激光照射后產(chǎn)生信號，信號經(jīng)過放大板放大20倍左右，得到輸出信號. 此裝置在較為安靜的室內(nèi)即可操作，與常見的光壓驗證裝置光壓風(fēng)車相比，沒有對真空度的要求，裝置成本低，不會受到阻力的影響，且結(jié)構(gòu)簡單、易組裝、零件模塊化，方便后期維修及改造升級.

3 實 驗

分別采用示波器和指針式萬用表觀測實驗現(xiàn)象. 預(yù)期效果為：光推動了駐極體麥克風(fēng)的膜片，通過示波器觀測類似正弦波的信號，或者觀察到萬用表的指針左右擺動.

3.1 實驗過程與現(xiàn)象

1)只打開激光筆. 在打開激光筆的瞬間，示波器的波形會出現(xiàn)微小的抖動，而后恢復(fù)為初始狀態(tài)(1條平滑的直線)；萬用表的指針擺動后恢復(fù)靜止.

2)只打開電機(jī). 接通電機(jī)電源，保持電機(jī)的轉(zhuǎn)速恒定(約為90 r/min). 圖4所示為示波器顯示的波形，用萬用表測量時指針保持穩(wěn)定.

圖4 未加光照的波形

3)同時打開激光筆與電機(jī). 用不同疏密程度的遮光片分別遮光，激光光路與遮光片中心的距離約為30 mm. 實驗采用如圖5所示的3種遮光片，具體參量見表1.

(a) 1 號遮光片 (b) 2 號遮光片 (c)3 號遮光片

表1 3種遮光片的參量

用示波器測量遮光片的波形，如圖6所示. 用萬用表測量，1號遮光片指針左右擺動速率慢，擺動幅度大；2號遮光片指針左右擺動速率較快，擺動幅度較小；3號遮光片指針左右擺動速率最快，擺動幅度最小.

(a)1號遮光片

3.2 結(jié)果分析

1)有光照且遮光片靜止時，光只是推動了駐極體麥克風(fēng)的膜片，但是不能使其振動，實驗現(xiàn)象不明顯.

2)無光照且遮光片轉(zhuǎn)動時，示波器顯示噪聲的波形，噪聲的來源為電機(jī)轉(zhuǎn)動時震動所產(chǎn)生的聲音. 噪聲的信號雜亂且比較微弱，不足以使萬用表的指針擺動.

3)有光照且遮光片轉(zhuǎn)動時，由圖4與圖6對比可知，在打開激光筆后波形有明顯變化，證明波形的變化不是外界其他因素干擾造成的. 觀察圖5和圖6發(fā)現(xiàn)，波形的疏密與遮光片的疏密有關(guān)；萬用表指針擺動幅度也與遮光片的疏密有關(guān).

電機(jī)的轉(zhuǎn)速為90 r/min，轉(zhuǎn)動1周的時間約為0.67 s. 3種遮光片的葉片數(shù)量分別為：1號6個，2號10個，3號12個. 用葉片數(shù)除以轉(zhuǎn)1周的時間來計算遮擋頻率，得到遮擋頻率分別約為：1號8.96 Hz，2號14.93 Hz，3號17.91 Hz. 理論上示波器測得波形的頻率應(yīng)該與此接近.

圖6中示波器的左下角顯示的頻率為：1號9.14 Hz，2號15.1 Hz，3號18.4 Hz，與理論計算的頻率相差不大，且未加光照的波形頻率為415 Hz，與光照后的波形頻率相差很大，故可以說明光的照射與波形的變化相關(guān).

綜上所述，遮光片的疏密與示波器顯示波形的疏密和萬用表指針擺動幅度大小、速率慢快相關(guān). 遮光片越密，波形越密，擺動幅度越小，速率越快. 可以證明：光照射在駐極體麥克風(fēng)的膜片上使膜片產(chǎn)生了形變，在遮光片間斷遮擋下，光使膜片間斷發(fā)生形變，形成正弦波，與預(yù)想結(jié)果相同. 由此證明了光壓力的存在.

4 結(jié)束語

本文設(shè)計了無需真空條件、實驗操作簡單、測量結(jié)果顯示度高的驗證光壓力的實驗裝置. 用此裝置對光壓力進(jìn)行定性測量，光照射到駐極體麥克風(fēng)膜片產(chǎn)生信號的變化可以證明光的確推動了駐極體麥克風(fēng)的膜片，使其發(fā)生形變，因此得出光是有壓力的. 實驗演示結(jié)果表明：該裝置可以排除外界因素的干擾，實現(xiàn)對光壓力的演示與測量，適用于科普實驗現(xiàn)象演示和物理實驗教學(xué).