互动科普

我们在生活中会用到各种各样应用声音和光（电波）的技术，如利用声音的“冲击波碎石技术”和利用电波的移动电话等，它们已经成为现代生活不可缺少的部分。除了前文中已经介绍过的例子，此外还有许多这样的技术。在这里，我们专门来介绍一类“声光组合应用技术”。

被光照射发出声音

观测超声波回声和地震波，这两项技术都是通过接收声音的反射来探查物体的性质、位置和结构。

此外还有一种技术，是用光照射物体使之发出声音，然后对这种声音进行分析，以此来了解物体的性质。这种技术叫做“光声光谱法”，被广泛应用于材料检验等场合。使用光声光谱法可以测出以前利用显微镜查看被光照射的物体的反射光或透射光无法了解到的诸如“硬度”一类的性质。

被光照射的物体为什么能够发出声音呢？

这里的关键是断断续续地用光照射（脉冲光照射），即重复地用光照射一下迅即中断照射。

被光照射时，物体表面一层被加热，温度略微升高，发生膨胀而使表面隆起。这种隆起会传递给周围的空气。当停止光照射时，物体表层冷却，发生收缩而使表面下陷。这种下陷也会传递给周围的空气。物体每受到一次这种脉冲光的照射便会在周围的空气中产生一个“密”的部分，紧接着又产生一个“疏”的部分，即产生一个疏密波（发出声音）。

光声光谱法的原理

用光断续地照射物体可以使物体表面发出声音。检测这种声波，便可以了解到物体的硬度等多种性质。

物体在受到光照射期间，表层物质膨胀，表面隆起推压周围的空气，在近旁空气中形成“密”的部分（左上图）。在中断光照射期间，表层物质收缩，表面下陷抽吸周围的空气，在近旁空气中形成“疏”的部分（右上图）。这个过程重复进行，物体表面就发出声波。

利用光查看“声音的样子”

使用透镜可以改变光的行进方向。这里利用的是光从空气进入透镜和再回到空气被折射的一种现象。同样，使用透镜也可以使声音发生弯曲。

同时利用声音和光的折射就可以通过光“看见”声音。这种技术叫做“纹影法”。使用这种技术，例如可以看见以超声速飞行的飞机所产生的冲击波。

那么，为什么使用通过空间光就可以知道在这个区域内传播的声音的情况呢？光的传播速度取决于它在其中传播的物质的密度而不同。这意味着光行进到密度变化的地点会发生折射。声音的“疏”部分和“密”部分其实就是密度不同的区域。因此，光照射到声音强度很大的空间，通过疏密变化的区域，便会发生折射。通过分析光在这个空间的传播方式就可以知道在其中传播的是怎样的疏密波。

波长很短的光只能够衍射一个很小的范围。但是，用光照射在镌刻有许多平行刻线的玻璃片（光栅）上，只要刻线的间隔与光的波长相近或更小，就会产生很大的衍射，不会在光栅后面留下阴影。

当有强大的声音在玻璃中传播时，在玻璃内部，“密”的部分密度大，“疏”的部分密度小。“密”部分和“疏”部分的这种交替排列就相当于一个光栅。让光通过其中有声音传播的玻璃，我们便可以通过改变声音的波长和强度来改变光的衍射大小，制成用声音控制的“光开关”等器件。

我们现在既能够巧妙地利用我们的耳朵和眼睛感觉不到的具有各种不同波长的声音和光，也能够将声音和光组合起来加以综合利用。在组合利用声音和光的这些应用技术的背后，仍然是“波的定律”在起着重要作用。

（本文发表于《科学世界》2011年第7期）