吳亞楠，游臻俊，馬佳寧，陳 雷

(華北電力大學(xué) 數(shù)理學(xué)院，北京 102206)

1 引 言

水霧是由大量的細(xì)小水滴懸浮在低空大氣層中，使空氣渾濁、可見度下降的水汽凝結(jié)現(xiàn)象[1]. 實(shí)驗(yàn)證明，濕度高低可直觀地反映霧氣濃度[2]，所以本實(shí)驗(yàn)在相關(guān)的霧化室霧氣濃度模擬基礎(chǔ)上[3]，通過改變玻璃間固定厚度的空氣濕度來測量其對(duì)固定光源的光功率的影響，經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的匯總和分析，得出了固定光源下，凈濕度對(duì)透過光功率的影響，是空氣中可見度降低的主要原因. 由于實(shí)驗(yàn)條件的限制，本實(shí)驗(yàn)只是初步的探索，通過探究濕度對(duì)光線透過的影響，來引起相關(guān)人士的重視.

2 分析人工造霧的必要性和造霧方法

2.1 必要性

1) 本實(shí)驗(yàn)需要相對(duì)封閉的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，自然環(huán)境復(fù)雜多變封閉性差，不能滿足實(shí)驗(yàn)需求.

2) 人工造霧較易控制霧氣濃度，使產(chǎn)生的霧氣在水面上的玻璃空間內(nèi)產(chǎn)生穩(wěn)定的濃度梯度，便于測量2層玻璃間不同濕度對(duì)應(yīng)的透過光功率.

3) 實(shí)驗(yàn)要求霧氣具有一定的穩(wěn)定性，應(yīng)盡量減弱實(shí)驗(yàn)過程與實(shí)驗(yàn)環(huán)境的空氣流動(dòng).

4) 研究濕度對(duì)透過光功率的影響，應(yīng)在灰塵、顆粒等雜質(zhì)相對(duì)較少的空間中進(jìn)行測量.

以上4點(diǎn)說明，實(shí)驗(yàn)不能利用自然環(huán)境中的霧氣進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，必須在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行.

2.2 造霧方法

實(shí)驗(yàn)中的“霧”實(shí)質(zhì)上是飽和空氣中的水汽因溫度下降而凝結(jié)成的小水珠，因此實(shí)驗(yàn)采用晶振片霧化器所產(chǎn)生的霧化水汽來模擬霧氣. 在實(shí)驗(yàn)所用雙層玻璃的水槽中加入適量的水，并將小型霧化器放入水中，使晶振片接近于水面，從而產(chǎn)生人造霧氣. 但由于產(chǎn)生霧氣時(shí)會(huì)有水滴隨震動(dòng)而彈出，影響濕度和透過光功率的測量，所以將霧化器置于雙層玻璃間的邊角位置，待霧氣產(chǎn)生并穩(wěn)定后，在霧化器另一側(cè)進(jìn)行實(shí)驗(yàn).

3 實(shí)驗(yàn)過程

3.1 實(shí)驗(yàn)器材

實(shí)驗(yàn)器材見表1，所用器材數(shù)量均為1個(gè).

表1 實(shí)驗(yàn)器材

3.2 實(shí)驗(yàn)原理

光功率是光在單位時(shí)間內(nèi)所做的功. 光線透過不同介質(zhì)時(shí)由于反射與折射使能量耗散，降低光功率，水霧由空氣中漂浮的微小水滴組成，光線透過霧氣時(shí)在水滴間發(fā)生漫反射與折射，當(dāng)透過霧氣時(shí)光功率降低，實(shí)驗(yàn)利用光的這一特性研究空氣濕度對(duì)光功率的阻礙效應(yīng). 為防止?jié)駳庠诓ＡП砻婺Y(jié)成小水珠影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果，應(yīng)在容器測量面內(nèi)壁加裝1層疏水膜.

3.3 實(shí)驗(yàn)步驟

3.3.1 測量濕度對(duì)自然光透過率的影響

1)如圖1所示，在玻璃裝置的一側(cè)50 cm處安置光源，本組實(shí)驗(yàn)采用25 W白熾燈作為光源，模擬日常室內(nèi)光線. 在另一側(cè)與光源正對(duì)位置距玻璃20 cm處放置光功率計(jì). 在產(chǎn)生霧氣前先測出正常情況下光功率計(jì)的讀數(shù)以及空氣濕度計(jì)讀數(shù).

(a)

(b)圖1 實(shí)驗(yàn)裝置圖

2)接通霧化器電源，將玻璃箱內(nèi)底部霧化器打開，待箱內(nèi)霧氣較穩(wěn)定且自下而上有明顯的霧氣濃度梯度時(shí)，開始測量數(shù)據(jù).

3)測量數(shù)據(jù)：以距容器頂部2 cm處為起點(diǎn)，保持光源與光功率計(jì)在同一水平面，將濕度計(jì)緩慢放入霧氣中，固定于容器壁上，并與光源、光功率計(jì)處于相同高度. 儀器放置好后等待2 min，保證霧氣再次穩(wěn)定，同時(shí)讀取空氣濕度計(jì)讀數(shù)與光功率計(jì)讀數(shù).

4)將光源、光功率計(jì)及空氣濕度計(jì)分別下移2 cm，重復(fù)上一步驟，直至測量點(diǎn)移動(dòng)到距玻璃頂部37 cm為止.

5)光透過率=透過光功率/底光功率. 將試驗(yàn)數(shù)據(jù)輸入Matlab軟件，經(jīng)過Matlab軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)描點(diǎn)，做出透過光功率隨濕度變化的大致曲線，即可直觀反映出空氣凈濕度對(duì)光線透過的影響. 圖2為其中1組次變化曲線.

圖2 白熾燈下的透過率實(shí)驗(yàn)曲線

6)重復(fù)以上實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，得到多組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，5組以上為宜，以減少誤差.

3.3.2 測量濕度對(duì)激光透過率的影響

采用紅色激光(635 nm，3 mW)作為光源[4]，探究在單色光條件下空氣濕度對(duì)光透過率的影響與自然光的關(guān)系. 實(shí)驗(yàn)步驟與3.3.1相同，但將白熾燈換成激光光源.

圖3為1組激光光源實(shí)驗(yàn)所得的透過光功率隨濕度變化的曲線.

圖3 激光下的實(shí)驗(yàn)曲線

4 數(shù)據(jù)分析

經(jīng)過多組實(shí)驗(yàn)測量取平均值后，分別得到了在激光光源與白熾燈光源下的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù). 對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析后，分別嘗試用單一的二次、三次函數(shù)及指數(shù)函數(shù)對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，希望能得到較為合理的擬合函數(shù)對(duì)實(shí)驗(yàn)曲線進(jìn)行描述，但均沒有得到理想結(jié)果，最后用分段函數(shù)形式進(jìn)行擬合，發(fā)現(xiàn)可以對(duì)曲線進(jìn)行較好的描述. 本次實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示. 根據(jù)表1中數(shù)據(jù)可以求出自然光實(shí)驗(yàn)函數(shù)為

激光實(shí)驗(yàn)函數(shù)為

表1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：無論白熾燈光與激光，光線在固定厚度的玻璃層間的透過率均隨空氣濕度的增大而降低，濕度90%以下時(shí)光線透過率隨濕度增大變化很小，但在濕度超過90%后，透過光功率隨濕度的增大急劇降低，說明此時(shí)霧氣對(duì)光的阻隔作用很明顯. 而在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)上，濕度在90%白熾光的光線透過率總體比激光的光線透過率小，而濕度大于90%以上白熾光光線透過率隨濕度增加降低速率超過激光，這是因?yàn)榧す庥袝?huì)聚度極高、穿透性極強(qiáng)特性[5]. 在實(shí)驗(yàn)中，使光透過率急劇降低至人眼無法透過玻璃觀察對(duì)面的最低濃度均在99%左右，即要使光線被霧氣遮蓋達(dá)到遮擋視線的效果，必須將濕度提升至99%以上.

6 對(duì)空氣可見度解釋以及應(yīng)用

從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中可以看出，若排除外界因素，只考慮濕度對(duì)光線透過的影響，在濕度為90%以下時(shí)，光透過率基本不受空氣濕度影響，而在濕度超過90%后，自然光透過率隨濕度增加而急劇減小. 日常生活中，空氣濕度一般在40%至70%之間，而在該濕度范圍內(nèi)，光線透過率隨濕度變化不明顯，所以對(duì)于一般性的空氣可見度不佳情況，濕度影響可忽略不計(jì)，空氣中漂浮的小顆粒以及煙霧等容易造成光散射的物質(zhì)，才應(yīng)是其主導(dǎo)因素. 若要研究空氣中霧霾對(duì)視線的影響，還可以在今后的實(shí)驗(yàn)中加入煙霧、灰塵等物質(zhì)，從而找出使空氣能見度降低的主要原因.

實(shí)驗(yàn)直觀地展現(xiàn)了透過光強(qiáng)隨濕度變化的大致規(guī)律，但僅僅是在純水汽條件下的探究，可作為更加復(fù)雜的相關(guān)實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)，如探究在有其他氣體或液態(tài)蒸汽下光透過率與蒸汽濃度的關(guān)系，探究在有粉塵條件下霧氣濃度對(duì)光線透過率的影響，或探究在其他透明材料下空氣濕度對(duì)光透過率的影響. 在生活中進(jìn)一步開發(fā)此方面的應(yīng)用，比如透明度可控的雙層玻璃門，在雙層玻璃間安裝霧氣發(fā)生器以及濕度探測器，在濕度可控的條件下即可控制玻璃門的透明度，既實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)意義上門的作用，又可將工藝設(shè)計(jì)融入其中，為家居設(shè)計(jì)提供了新的思路. 同時(shí)，在商業(yè)性的旅館、會(huì)所以及面向公眾的商業(yè)場所，可將本實(shí)驗(yàn)成果應(yīng)用到裝潢設(shè)計(jì)上. 甚至可作為新型墻壁制造的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)，開發(fā)制造可利用水汽控制透明度的墻壁，進(jìn)而設(shè)計(jì)可透明、可封閉新型建筑，應(yīng)用前景極為廣泛. 在軍事上，可將其作為新式視野屏蔽用具的開發(fā)基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)出重量輕，易于攜帶，又能有效封鎖視野的屏障護(hù)具，當(dāng)然，制作材料要選用其他透明材料. 在藝術(shù)方面，可作為舞臺(tái)背景及裝飾道具的開發(fā)基礎(chǔ)，創(chuàng)造出新的藝術(shù)、視覺感受.

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