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1、为了适应公司新战略的发展，保障停车场安保新项目的正常、顺利开展，特制定安保从业人员的业务技能及个人素质的培训计划光栅特性与超声光栅实验报告实验27超声光栅衍射实验报告【实验目的】1.掌握超声光栅原理2.学会利用超声光栅测量液体中的声速【实验仪器】超声源，玻璃皿，激光器，光具座，会聚透镜，超声探头支架，金属白屏。【原理概述】1.超声光栅具有弹性纵向的平面超声波，在液体介质中传播时，其声压时液体分子产生疏密交叠的变化，促使液体的折射率也相应的作周期性变化。这种疏密波也是折射率梯度传播的一种模式，形成的层次结构就是超声波的图像。光从垂直方向透射过超声场后，会产生折射和衍射。这一作用，类似光栅，所以叫
2、做超声光栅。超声光栅原理图2.超声波的速度与介质的性质超声波在介质中传播的性质，用声速和衰减度系数两个基本量来表述。超声波速度不仅与声压(p)、密度(?)、折射率(n)有关，而且还受到其他物理性质的影响，因此声速与许多重要的物理参数有关。在正弦变化的声场中，超声波运动的速度，声压以及介质的密度和折射率的变化规律，都是类似的，都可以用波动方程表示。描述超声场中折射率周期性变化的表达式为：n(y,t)?n0?ncos(?t?ky)(1)其中?为超声波的圆频率，k为波矢量。3、超声的驻波和行波正弦超声平面波由垂直于玻璃皿底面的方向射于液体中，则声场中的压力波会被底面反射，形成与入射波同频率的一列反射
3、波，这两列波的声压可分别表示为：?Pi?PiA?ei(?t?ky)?(2)i(?t?ky)?Pr?PrA?e两列同频率的波相向传播时，依叠加原理，合成声场的声压为P?Pi?Pr，即P?2Picoskyei?t?(PiA?PrA)ei(?t?ky)(3)由上式可见，合成声场由两部分组成，第一项代表驻波场，第二项表示在y方向传播的平面波，其振幅为原先两列波振幅之差。若实验中弹性的平面波得到完全反射，则式(3)右边第二项可以略去，合成的超声波就是一个纯粹的驻波场。介质密度分布和折射率的分布也与驻波场的变化相一致。声压形成的光密处为波节，光疏处为波腹。由于光向折射率大的的方面弯曲，波节处交迭地每隔半个
4、周期呈现一次会聚强光。实验观察到的超声场的图像，是相对的长时间的平均效应。4、超声衍射的观测因光速度远大于声速，即C?，光线很快的通过了超声场，而折射率周期变化所形成的“超声光栅”可以认为是不动的，即把折射率的空间固定的看成：n?n0?ncosky(4)这样所形成的超声光栅对光的衍射可表示为：?sin?k?K?(5)式(5)中?和?分别为超声波和入射光的波长，由该式可知，如果测出?k，?k为K级衍射角。且?已知，则可测出超声波的波长?。若还知道超声波的频率f，则可求出超声波在该液体中的传播速度：?f(6)这是测量超声波传播速度的有效方法之一。5、超声场的观测光线经过液体时，在波节(光疏)处基本
5、不发生偏转。因此当光线通过液体后透射到观测屏上，在波腹处产生出亮条纹，波节处为暗条纹。通过测量透射在观测屏上的N条亮条纹间距d，利用下式?2?S1(7)S1?S2d(8)N?1若知道超声波的频率f，则可求出超声波在该液体中的传播速度：?f(9)【实验内容】1在光具座上按图搭好光路，并调节各原件至共轴，调节透镜的位置，使屏上出现清晰的激光点。2连上电路，把超声波探头置于超声池中，调节探头平面和池的底面平行，然后加上驱动信号，调节信号源的振荡频率，直到在屏上出现衍射条纹，仔细调节频率，探头和超声池之间的距离以及调整整个超声池的方位，直到屏上出现的条纹又多又清晰。3测量透镜中心到超声池中心的距离和超
6、声池中心S1到观测屏的距离S2，记下透镜的焦距F，多次测量，以求平均值，并计算出超声波的波长。4把输出信号同时接入示波器中，以测出其频率f，算出声速。取不同的1020条条纹，重复上述步骤5次，求得各次测量的声速的平均值。5(1)改变超声池的温度，测不同温度下的声速，寻求变化的规律。(2)把超声信号改为脉冲信号，观察现象并解释之。【实验图像】观察屏超声池透镜实验光路图【实验数据分析】1声速与温度的关系1）第一次实验：算出：求平均并由算术平均值标准误差公式?S1?cm?1?8S2?cm?s2?8根据仪器标称的数据：F?实验数据记录：声速与温度关系表格：声速与温度关系图可见，超声波波速随温度增加而递
7、增，可以预见，到一定速度后将趋于稳定。对本方法的讨论与误差分析：本次实验的方法采用分别记录不同位置条纹的间距再取平均值的方法测量各温度下的条纹间距。这种方法有一定的局限性和误差性：1本方法要求水的温度变化很小，在测量过程中只能有大概一摄氏度的变化。2测量条纹间距时分别测量不同位置条纹后取平均值，这本可以使计算出的声速更加准确，但因为测量过程中，超声波的频率和水的温度都起了变化，因此，对所测条纹间距求平均值的做法可能引入新的误差。3对温度和频率求平均的做法也会引入新的误差，但若变化不大，则应可以接受。综上所述，此方法对声速的测量以及对温度的记录均不够严谨和准确，但应可以大致估计出声速与温度的变化
8、关系。误差分析：由声速计算公式：V?2?根据误差传递公式得S1dfS2N?1?2dS1)2?2f(N?1)(S1?S2)按照本实验方法得实际情况，若假设频率的微小改变不回引起条纹的显著变化取?f?1KHz可以看出，单就测量量来说，测量的误差还是比较小的，但这次的误差分析不够准确，因为做了一个并不严谨的假设，只能作为一个参考。2）第二次实验：算出：求平均并由算术平均值标准误差公式?超声光栅实验【实验目的】1了解超声致光衍射的原理。2利用声光效应测量声波在液体中的传播速度。【实验原理】光波在液体介质中传播时被超声波衍射的现象，称为超声致光衍射，这种现象是光波与介质中声波相互作用的结果。超声波调制了
9、液体的密度，使原来均匀透明的液体，变成折射率周期变化的“超声光栅”，当光束穿过时，就会产生衍射现象，由此可以准确测量声波在液体中的传播速度。并且，由于激光技术和超声技术的发展，使声光效应得到了广泛的应用。如制成声光调制器和偏转器，可以快速而有效地控制激光束的频率、强度和方向，它在激光技术、光信号处理和集成通讯技术等方面有着非常重要的应用。压电陶瓷片在高频信号源所产生的的交变电场的作用下，发生周期性的压缩和伸长振动，其在液体中的传播就形成超声波，当一束平面超声波在液体中传播时，其声压使液体分子作周期性变化，液体的局部就会产生周期性的膨胀与压缩，这使得液体的密度在波传播方向上形成周期性分布，促使液
10、体的折射率也做同样分布，形成了所谓疏密波，这种疏密波所形成的密度分布层次结构，就是超声场的图象，此时若有平行光沿垂直于超声波传播方向通过液体时，平行光会被衍射。以上超声场在液体中形成的密度分布层次结构是以行波运动的，为了使实验条件易实现，衍射现象易于稳定观察，实验中是在有限尺寸液槽内形成稳定驻波条件下进行观察，由于驻波振幅可以达到行波振幅的两倍，这样就加剧了液体疏密变化的程度。驻波形成以后，某一时刻t，驻波某一节点两边的质点涌向该节点，使该节点附近成为质点密集区，在半个周期以后，t+T/2，这个节点两边的质点又向左右扩散，使该波节附近成为质点稀疏区，而相邻的两波节附近成为质点密集区。图1为在t
11、和t+T/2两时刻振幅y、液体疏密分布和折射率n的变化分析。由图1可见，超声光栅的性质是，在某一时刻t，相邻两个密集区域的距离为?，为液体中传播的行波的波长，而在半个周期以后，t+T/2。所有这样区域的位置整个漂移了一个距离?/2，而在其它时刻，波的现象图1则完全消失，液体的密度处于均匀状态。超声场形成的层次结构消失，在视觉上是观察不到的，当光线通过超声场时，观察驻波场的结果是，波节为暗条纹，波腹为亮条纹。明暗条纹的间距为声波波长的一半，即为?/2。由此我们对由超声场的层次结构所形成的超声光栅性质有了了解。当平行光通过超声光栅时，光线衍射的主极大位置由光栅方程决定。?sin?k?k?光路图如图
12、2所示。图2超声光栅实验光路图实际上由于?角很小，可以认为：sin?k?lk/f其中lk为衍射零级光谱线至第k级光谱线的距离，f为L2透镜的焦距，为钠光波长，所以超声波的波长?k?/sin?k?k?f/lk超声波在液体中的传播速度：V?式中?为信号源的振动频率。【实验仪器】实验装置主要由控制主机、低压钠灯、光学导轨、光学狭缝、透镜、超声池、测微目镜以及高频连接线组成。如图3所示。图3超声光栅实验装置【实验过程】1.将器件按图3放置。低压钠灯于超声光栅试验仪相连。2.调节狭缝与透镜L1的位置，使狭缝中心法线与透镜L1的光轴(即主光轴)重合,二者间距为透镜L1的焦距。3.调节透镜L2与测微目镜的高
13、度，使二者光轴与主光轴重合。调焦目镜，使十字丝清晰。转动测微目镜鼓轮，使可移动的竖直叉丝位于主尺刻度3mm至5mm之间。4.开启电源。调节钠灯位置，使钠灯照射在狭缝上，并且上下均匀，左右对称，光强适宜。5.将狭缝调至水平，调节L2位置，使测微目镜中出现一条清晰的水平线。再调节测微目镜上下或左右位置，使水平线在测微目镜的视场中央。最后将狭缝转至垂直位置，这时视场中出现一条垂直亮线，且与测微目镜的垂直叉丝重合。6将待测液体注入液槽，将液槽放置于支架上，放置时，使液槽两侧表面基本垂直于主光轴。7.将高频连接线的一端接入液槽盖板上的接线柱，另一端接入超声光栅仪上的输出端。8前后移动液槽，从目镜中观察条
14、纹间距是否改变，若是，则改变透镜L1的位置，直到条纹间距不变。9微调超声光栅仪上的调频旋钮，使信号源频率与压电陶瓷片谐振频率相同，此时，衍射光谱的级次会显著增多且谱线更为明亮。微转液槽，使射于液槽的平行光束垂直于液槽，同时观察视场内的衍射光谱亮度及对称性。重复上述操作，直到从目镜中观察到清晰而对称稳定的24级衍射条纹为止。10利用测微目镜逐级测量各谱线位置读数，测量时单向转动测微目镜鼓轮，以消除转动部件的螺纹间隙产生的空程误差。11.自拟数据表格，记录各级各谱线的位置读数，计算第k级光谱线各谱线至衍射零级光谱线的距离lk。12.计算lk的平均值平均值及总误差。计算液体中的声速V及误差V，写出标准形式；并将测出的声速V与理论值Vt比较，得出百分误差。【实验数据】单色光源波长：nm透镜L2焦距:ffmm被测液体:水液体温度t：20声速理论值：Vt?V0?(t?t0)测微目镜分辨率：ls信号频率?：信号频率分辨率：?V?f?lk?，P?%?V?V?V?E?100%?V?E?t?VVt?100%?表1.衍射级次k和衍射谱线位置
