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1、用超声光栅测液体中的声速用超声光栅测液体中的声速 实验目的实验目的 1 了解超声致光衍射的原理。 2 学会利用超声光栅测量超声波在液体中传播速度的方法。 实验仪器实验仪器 WSG型超声光栅声速仪（超声信号源、液体槽、锆钛酸铅陶瓷体连液体槽盖板、 液体槽座、高频信号线） 、分光计、测微目镜、钠光灯、纯净水、酒精（95） 、小毛巾。 实验原理实验原理 光波在介质中传播时被超声波衍射的现象，称为超声致光衍射（亦称声光效应） 。 超声波作为一种纵波在液体中传播时， 其声压使液体分子产生周期性的变化， 促使液体 的折射率也相应的作周期性的变化，形成疏密波。此时，如有平行单色光沿垂直于超声波传 播方向通过
2、这疏密相间的液体时，就会被衍射，这一作用，类似光栅，所以称为超声光栅。 超声波传播时，如前进波被一个平面反射，会反向传播。在一定条件下前进波与反射波 叠加而形成超声频率的纵向振动驻波。 由于驻波的振幅可以达到单一行波的两倍， 加剧了波 源和反射面之间液体的疏密变化程度。 某时刻， 纵驻波的任一波节两边的质点都涌向这个节 点，使该节点附近成为质点密集区，而相邻的波节处为质点稀疏处；半个周期后，这个节点 附近的质点又向两边散开变为稀疏区，相临波节处变为密集区。在这些驻波中，稀疏作用使 液体折射率减小，而压缩作用使液体折射率增大。在距离等于波长的两点，液体的密度相 同，折射率也相等，如图 1 所示。
3、 图 1 在 t 和 t+T/2(T 为超声振动周期)两时刻振幅 y、液体疏密分布和折射率 n 的变化 1单色平行光沿着垂直于超声波传播方向通过上述液体时， 因折射率的周期变化使光波的波阵面产生了相应的位相差， 经透镜聚焦出现衍射条纹。 这种现象与平行光通过透射光栅的情形相似。因为超声波的波长很短，只要盛装液体的液体槽的宽度能够维持平面波（宽度为） ，槽中的液体就相当于一个衍射光栅。图中行波的波长相当于光栅常数。由超声波在液体中产生的光栅作用称作超声光栅。 当满足声光喇曼奈斯衍射条件：2/21 时，这种衍射相似于平面光栅衍射，可得如下光栅方程（式中k为衍射级次，k为零级与k级间夹角） kk=s
4、in （k=0，1，2，） 在调好的分光计上，由单色光源和平行光管中的可调狭缝S与会聚透镜L1组成平行光系统，如图 2 所示。 让光束垂直通过装有锆钛酸铅陶瓷片（或称PZT 晶片）的液槽，在玻璃槽的另一侧，用自准直望远镜中的物镜L2和测微目镜组成测微望远系统。若振荡器使PZT晶片发生超声振动，形成稳定的驻波，从测微目镜即可观察到衍射光谱。从图 2 中可以看出，当k很小时，有： flkk/sin= 其中为衍射光谱零级至k级的距离；为物镜Lklf2的焦距，所以超声波波长： kklfkk/sin/= （3） 超声波在液体中的传播速度： klf=/ （4） 式中的是振荡器和锆钛酸铅陶瓷片的共振频率，k
5、l为同一色光衍射条纹间距。 图 2 WSG-I 型超声光栅声速仪衍射光路图 2WSG-I 型超声光栅声速仪的实验装置如图 3 所示。液体槽（可称其为超声池）是一个长方形玻璃槽，它的两个通光侧面(窗口)为平行平面。液槽内盛有待测液体(水或酒精)。液体槽通过液体槽座被放置在分光计的载物平台上， 其通光侧面与平行光管光轴垂直。 换能器为压电陶瓷晶片， 晶片两面的引线与液体槽上盖的接线柱相连。 由超声信号源输出的高频振荡信号驱动锆钛酸铅陶瓷片，产生的超声波会在液体中形成稳定的驻波，形成超声光栅。超声信号的共振频率一般在 11MHz 左右。用钠光灯作单色光源，它所发出的单色光（=589.3nm）经过平行
6、光管入射到液体槽上。被超声光栅衍射后，自液体槽窗口出射的光，经望远镜物镜(JJY 型分光计的物镜焦距为=170mm)会聚在物镜的后焦面上。用测微目镜观测由超声光栅产生的衍射条纹。 f1 钠光灯 2 平行光管 3 液体槽 4 望远镜(去掉目镜筒) 5 测微目镜 6 压电陶瓷晶片 7 导线 8 频率显示窗 9 超声信号源 10 调频旋钮 图 3 WSG-I 型超声光栅声速仪的实验装置 仪器介绍仪器介绍 WSG-I 型超声光栅声速仪由超声信号源、超声池、高频信号连接线、测微目镜等组成，并配置了具有 11MHz 共振频率的锆钛酸铅陶瓷片。完成整个实验必需配备的仪器有：单色光源（汞或钠） 、JJY1分光
7、计（大部分学校实验室都有） 。 仪器的性能指标为： 输入电压 220V 50Hz 输出信号频率： 8 12 MHz 工作频率： 9.511.5 MHz 测微目镜测量范围：8mm 测量精度：0.01mm 超声信号源面板如图 4 所示。为保证仪器正常使用，仪器实验时间不宜太长，以免振荡线路过热，所以在超声信号源电源上设置了定时选择开关，可见仪器的后面板。开启超声信号源电源前，先选择定时时间。定时时间可选四档，分别为 60 分钟、90 分钟、120 分钟和3不选定时。建议信号源定时功能设定为 60 分钟为宜。 WSG-I超声光栅声速仪13MHZ241 电源开关 2 频率微调钮 3 高频信号输出端（无
8、正负极区别）4 频率显示窗 图 4 超声信号源面板示意图 实验内容步骤实验内容步骤 1 调整分光计到使用状态。 （1） 调节望远镜使之适合于观察平行光。 （2） 调节望远镜的主光轴与分光计转轴垂直。 （3） 调节平行光管使之产生平行光。 （4） 调节平行光管与望远镜共轴。 （5） 调节载物平台与分光计的转轴垂直。 （6） 采用钠光灯作光源。调节平行光管的狭缝至合适的宽度。 2 将液体槽放置到载物平台上，并且利于自准直法，调节平台的倾角螺钉，使液体槽 的通光表面垂直于望远镜和平行光管的光轴，即，使光路与液槽内的超声波传播 方向垂直。 3 把待测液体（纯净水或酒精）倒入液体槽中，液面高度以液体槽侧
9、面的液体高度刻 线为准。将液体槽盖板盖在液体槽上。 4 先选择定时时间为 60 分钟，然后开启超声信号源电源。 5 从目镜观察衍射条纹。仔细调节频率微调钮，使电振荡频率与锆钛酸铝陶瓷片的固 有频率共振，此时，衍射光谱的级次会显著增多且更为明亮。记录此时的信号源的 频率。 6 观察液体中超声光栅的衍射现象。为使单色平行光垂直于超声波的传播方 向，可微调载物台，使观察到的衍射光谱左右对称，各级谱线亮度一致。经 过上述仔细调节，一般应观察到3 级以上的衍射谱线。 7 将分光计目镜更换为测微目镜。对目镜调焦，看清分划线。然后以平行光管 出射的平行光为准，对望远镜的物镜进行调焦，使平行光管的狭缝象清晰。
10、 8 记录液体的温度（室温） 。用测微目镜沿一个方向移动，逐级测量钠黄光各 级衍射谱线的相对位置，并用逐差法求出条纹间距的平均值。 9 计算液体中的声速。 4注意事项注意事项 1锆钛酸铅陶瓷片未放入有媒质的液体槽前，禁止开启信号源锆钛酸铅陶瓷片未放入有媒质的液体槽前，禁止开启信号源。 2实验过程中要防止震动，也不要碰触连接超声池和高频电源的两条导线。因 为导线分布电容的变化会对输出电频率有微小影响。只有压电陶瓷片表面与对面的 玻璃槽壁表面平行时才会形成较好的表面驻波， 因而实验时应将超声池的上盖盖平。 3一般共振频率在 11MHz 左右，WSG型超声光栅仪给出 9.5-12MHz 可调范 围。
11、在稳定共振时，数字频率计显示的频率值应是稳定的，最多只有末尾 12 个单 位数的变动。 4实验时间不宜太长实验时间不宜太长。特别注意不要使频率长时间调在 11MHz 以上，以免振荡 线路过热。 5测量完毕应将超声池内待测液体倒出，不能长时间将锆钛酸铅陶瓷片浸泡在 液体槽内。 6声波在液体中的传播与液体温度有关，要记录待测液体温度，并进行温度修 正。 7提取液槽应拿两端面，不要触摸两侧表面通光部位，以免污染不要触摸两侧表面通光部位，以免污染，如已有污染， 可用酒精乙醚清洗干净，或用镜头纸擦净。 8实验中液槽中会有一定的热量产生，并导致媒质挥发，槽壁会见挥发气体凝露，一 般不影响实验结果， 但须注
12、意液面下降太多致锆钛酸铅陶瓷片外露时， 应及时补充液体至正 常液面线处。 数据表格处理数据表格处理 表 1 测量纯净水的声速 实验温度： 光波长=589.3nm 物镜焦距=170mm f 共振频率 衍射条纹级次 4 3 210 1 2 3 4 衍射条纹位置 衍射条纹的间距 kl纯净水中的声速klf=/ 表 2 测量酒精的声速 实验温度： 光波长=589.3nm 物镜焦距=170mm f 共振频率 衍射条纹级次 4 3 210 1 2 3 4 衍射条纹位置 衍射条纹的间距 kl酒精中的声速klf=/ 思考题思考题 1 本实验如何保证平行光束垂直于声波的方向？ 2 驻波波节之间距离为半个波长， 为
13、什么超声光栅的光栅常数等于超声波的波 长？ 53 超声光栅与平面衍射光栅有何异同? 4 实验时可以发现，当超声频率升高时，衍射条纹间距加大，反之则减小，这是为什 么？ 附录附录 声波在下列物质中的传播速度：20纯净介质。 液 体 t0 V0(m/s) A(m/sk) 苯 胺 20 1656 -4.6 丙 酮 20 1192 -5.5 苯 20 1326 -5.2 海 水 17 1510-1550 / 普通水 25 1497 2.5 甘 油 20 1923 -1.8 煤 油 34 1295 / 甲 醇 20 1123 -3.3 乙 醇 20 1180 -3.6 表中A为温度系数，对于其他温度t的速度可近似按公式Vt=V0+A(t-t0)计算。 6
