Введение – описание опыта.
Покройте слоем копоти одну половину внутренней поверхности банки и проделайте отверстие в её крышке. Если осветить чёрную стенку банки лампой накаливания, работающей на переменном токе, то можно услышать отчётливый звук.
Первые теоретические исследования.
В процессе исследования был рассмотрен такой раздел физики как фотоакустика и фотоакустические явления.
Фотоакустический эффект – это образование звуковой волны вследствие поглощения материалом электромагнитного излучения.
Эффект был открыт Александром Бэллом (изобретателем телефона) в 1880 году.
Существует несколько механизмов, порождающих фотоакустический эффект. Большинство литературы связано с одним – фототермическим. Другие связаны с фотофизическими и фотохимическими процессами.
Использованное оборудование и первые эксперименты.
В представленных экспериментах использовались:
• Лампы накаливания различной мощности
• Стеклянные банки объемом 500 мл
• Микрофон
• Программа для анализа спектра звука Spectrum Lab
В лампе используется эффект нагревания проводника при протекании через него электрического тока. Почти вся подаваемая в лампу энергия превращается в излучение. Основная часть излучения лежит в невидимом инфракрасном диапазоне.
Рис. 1 Фото экспериментальной установки
Рис. 2 Эксперимент с переменным током 
Обнаруживается четко слышимый звук на частоте 100 Гц.
Остальные звуки – это шумы, в том числе и собственные шумы микрофона, что было проверено экспериментально (был отснят спектр звука вне банки).
Рис. 3 Эксперимент с постоянным током
Звук не обнаруживается, слышны лишь шумы.
Анализ первых экспериментов.
При сравнении результатов экспериментов с постоянным и переменным током можно предположить, что наличие либо отсутствие звука связано с различием характеристик излучения. Так как единственным изменяемым параметром был ток, то это различие зависит от характера тока.
При изучении различной литературы был сделан вывод, что изменяемым параметром излучения является его интенсивность (амплитуда). При питании от переменного тока интенсивность излучения колеблется. А причина этих колебаний – модуляция света.
Модуляция света.
Модуляция света – это изменение по заданному закону во времени интенсивности (амплитуды) колебаний оптического излучения. Различают внутреннюю модуляцию и внешнюю.
При внутренней модуляции преобразование излучения происходит в процессе его формирование непосредственно в источнике оптического излучения.
Внутреннюю модуляция света осуществляют, используя для питания электрических источников света переменное или импульсно-периодическое напряжение.
При внешней модуляции параметры излучения изменяют после его выхода из источника с помощью модуляторов света.
Простейшая амплитудная модуляция света - это периодическое механическое прерывание светового потока.
Рис. 4 Амплитудно-модулированное излучение
Анализ фототермического механизма.
Более подробно рассмотрим фототермический механизм, т.к. другие механизмы (фотофизический и фотохимический) имеют незначительное влияние на объект исследования и требуют сложных методов обнаружения и измерения. Под фототермическим механизмом понимается нагревание вещества поглощаемым электромагнитным излучением.
Фототермический механизм можно разделить на следующие этапы:
1) Поглощение материалом (сажей) модулированного электромагнитного излучения;
2) Периодические колебания температуры в местах поглощения излучения вследствие периодических колебаний интенсивности излучения;
3) 
Колебания температуры вызывают колебания давления по закону Шарля:
4) Возбуждение акустических волн в среде, окружающей область поглощения излучения вследствие колебаний давления.
Анализ частоты звука.
При экспериментах частота звука была больше частоты переменного тока в 2 раза. Теоретические расчёты подтверждают это:
Происходит удвоение частоты (f) колебаний мощности тока, а значит и колебаний мощности лампы.
Побочные эксперименты.
Побочный эксперимент №1
Рис. 5 Изучение зависимости громкости звука от расстояния - установка
Рис. 6 Изучение зависимости громкости звука от расстояния – спектр звука
Рис. 7 Изучение зависимости громкости звука от расстояния – график зависимости
Побочный эксперимент №2
Рис. 8 Зависимость громкости звука от мощности лампочки – спектр звука
Рис. 9 Зависимость громкости звука от мощности лампочки – график
Выводы.
· Причиной звука является фототермический эффект.
· Звук возникает лишь при модулированном излучении.
· На громкость звука влияют: мощность лампочки и расстояние от лампы до банки.
· На частоту звука влияет частота переменного тока.
Применение явления.
Фотоакустический эффект используется в следующих областях науки и техники:
· Высокочувствительные методы газового анализа;
· Дефектоскопия, выявление неоднородностей непрозрачных материалов;
· В биомедицине (фотоакустическая томография):
– Мониторинг гемодинамики (движения крови)
– Выявление повреждений мозга
– Обнаружение рака молочной железы
– Фотоакустическая микроскопия
Рис. 10 Лазерный фотоакустический комплекс, предназначенный для дефектоскопии
Таким образом, фотоакустический эффект используется в современных отраслях науки и техники и является перспективным и полезным для использования.
Список использованной литературы
· https://en.wikipedia.org
· Manfred Euler, Kurt Niemann, and Andreas Muller. Hearing Light. Phys. Teach. 38, 6, 356-358 (2000) (ресурс: uni-landau.de/physik/Hearing%20Light.pdf)
· https://encyclop.ru – Большая Советская Энциклопедия
· https://www.ngpedia.ru/
· Sound by Radiant Energy – A.G. Bell
· X. Wang, et al. (2006). "Non-invasive imaging of hemoglobin concentration and oxygenation in the rat brain using high-resolution photoacoustic tomography"