《超声光栅测液体中的声速》由会员分享，可在线阅读，更多相关《超声光栅测液体中的声速（11页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、超声光栅测液体中的声速王 涛苏州大学 物理( 师范) 0908406025摘要：分析了超声光栅的形成原理,并利用超声光栅测量纯净水中声速。关键词 ：超声光栅;液体声速; 螺旋测微装置引言 :声光效应是指光通过某一受到超声波扰动的介质时发生的衍射现象，这种现象是光波与介质中声波相互作用的结果。早在 1922年，布里渊（L.Brillouin）就预言：“当高频声波在液体内传播时，如果有可见光通过该液体，可见光将产生衍射效应。 ”这一预言在10 年后得到了验证：1935 年，拉曼（Raman）和奈斯（Nath）通过大量的实验研究后发现，在一定条件下，当可见光通过某一受到超声波作用的介质时，的确可以观
2、察到很明显的衍射现象，并且衍射条纹的光强分布类似于普通光栅，所以也称该介质为超声光栅。一、 实验原理1、 超声光栅形成原理超声波是一种机械应力波，设超声行波以平面纵波的形式沿 x 轴正方向传播,其波动方程可描述为y(x ,t ) A cos2(t /Ts x /)式中， y代表各质点沿 x轴方向偏离平衡位置的位移， A表示质点的最大位移（振幅） ， Ts为超声波的周期， 为超声波波长。当这一超声行波在液体中传播时，会造成液体的局部压缩和伸长而产生弹性应变。液体会被周期性地压缩或膨胀，同时其密度也会发生周期性的变化。压缩作用会使液体的局部密度变大，膨胀作用会使液体的局部密度变小。这样就形成了疏密
3、波。这种液体的局部密度周期性变化必然导致液体折射率和相位的周期性变化，而形成超声相位光栅。这一超声行波形成的超声相位光栅，栅面是在空间随时间移动的。因为是行波，折射率的周期性分布是以声速 vs向前推进的，可表示为n(x ,t ) n0 n cos2(t /Ts x / )折射率的增量 n（ x ,t） n cos2(t /Ts x / )是按余弦规律变化的。如果超声波被玻璃水槽的一个平面反射，又会反向传播。当反射平面距波源为波长 1/4 倍时，入射波和反射波分别为y1(x ,t ) A cos2(t /Ts x / )y2(x ,t ) A cos2(t /Ts x/ )两者叠加后得y(x ,
4、t ) y1 y22 A cos（2 x /）cos（2 t /Ts )该式说明叠加的结果为一驻波。该驻波沿 x方向各点的振幅为 2A cos（2 x /） ，是 x 的函数，随 x呈周期性变化（波长为 ） ，但不随时间变化。在 x n /2（ n 0，1， 2，3，）各点的振幅为极大，等于 2A，这些点称为驻波波腹，相邻波腹间的距离为 /2。在 x（2 n1 ） /4 的各点的振幅为零，这些点称为波节，相邻波节间的距离也是 /2。因此超声驻波形成的超声相位光栅是固定在空间的。驻波位相为 2t /Ts，是时间 t 的函数，但不随空间变化。某一时刻，驻波的任一波节两边的质点都涌向这个节点，使该节
5、点附近形成质点密集区，而相邻的波节处为质点稀疏区。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，相邻波节处变为密集区。液槽中传播的超声驻波一个周期内几个特殊时刻的波形、液体密度、折射率变化曲线如图。可见，液槽内距离等于波长 的任何两点处，液体的密度、折射率相同。因此，有超声波传播的液体相当于一个相位光栅，光栅常数就是超声波的波长。2、 利用超声光栅衍射（拉曼奈斯型衍射）测量液体中声速当单色平行光沿垂直于超声波传播方向通过液体时，由于光速远大于液体中声速，可以认为光波的一波阵面通过液体的过程中，液体的疏密及折射率的周期性变化情况没有明显改变，相对稳定。这时，因折射率的周期性变化将使光波通
6、过液体后在原先的波阵面上产生相应的周期变化的位相差，在某特定方向上，出射光束会相干加强（或减弱） ，产生衍射，经透镜聚焦后，即可在焦平面上观察到衍射条纹。根据光栅方程可得sinkk （k 0 ，1 ，2 ，3, ）式中 k 为第 k 级衍射光的衍射角， 为光波波长。当 k 角很小时，可近似有 sink dk /f(其中 dk 为衍射光谱上零级至 k 级的距离， f 为透镜 L2 的焦距)，可以认为各级条纹是等间距分布的。则超声波波长为 k/sink kf/ dk f/d其中 d 为相邻条纹间距。液槽中传播的超声波的频率 s可由超声光栅仪上的频率计读出，则超声波在液体中传播的速度为V s fs/
7、d因此，利用超声光栅衍射可以测量液体中的声速。二、 实验内容实验仪器：分光计、超声光栅仪、玻璃液槽、高压汞灯、测微目镜、待测液体（水） 。实验步骤：1、 分光计的调节1) 用自准法调节望远镜聚焦于无穷远。 目镜视度的调节。点亮目镜照明小灯，转动目镜视度调节手轮，使从目镜中清晰地看到分划板上的黑十字叉丝。 将平面镜轻轻贴近望远镜镜筒，使平面镜与望远镜基本主轴垂直，前后移动分划板套筒，直至从目镜视场中观察到反射回的绿十字叉丝像清晰，且绿十字叉丝像与分划板上的叉丝间无视差，则望远镜聚焦于无穷远。2) 调节望远镜主轴垂直于载物台转轴 将平面镜如图置于载物台上，转动载物台，使镜面与望远镜主轴大致垂直，从
8、目镜中观察由平面镜反射回的绿十字像。一般由于置于载物台上的平面镜与望远镜不能互相垂直，所以不能一下子观察到反射绿十字像。轻轻转动载物台，使镜面旋转一个小角度，从望远镜外侧用眼睛观察从平面镜反射回的绿十字像，适当调节望远镜和载物台的倾斜度，直到转动载物台时，从目镜中能观察到反射回的绿十字像。 通常，绿十字像水平线和分划板调整叉丝水平线不重合，可采用 1/2 调节法来调节。调节望远镜的水平调节螺丝，使两者水平线的差距减少一半；调节载物台下的调节螺丝 a 或 b，使两者水平线重合。 将载物台旋转 180，重复步骤。这样反复进行调节，直到平面镜的任何一面正对望远镜时，绿十字像与分划板调整叉丝两者水平线
9、都重合，说明望远镜主轴与平面镜的两个面都垂直。 将平面镜转过 60，转动载物台，使平面镜某一面正对望远镜，从中找出绿十字像，然后单独调节载物台下水平调节螺丝 c，使平面镜反射回来的绿十字像与分划板调整叉丝水平线重合，则载物台平面法线基本上与分光计转轴重合。3) 调节分划板上十字叉丝水平与垂直。转动载物台，从目镜中观察绿十字像是否沿叉丝水平线平行移动，若不平行，则可转动分划板套筒使其平行（注意不要破坏望远镜的调焦） 。至此，望远镜已调节好可作为基准进行其它调节。4) 调节准直管发出平行光且准直管主轴与转轴垂直。 将已点亮的汞灯置于狭缝前，转动望远镜，从目镜中观察到狭缝的像，前后移动狭缝套筒，改变
10、狭缝与望远镜物镜之间的距离，使狭缝像最清晰，此时准直管发出平行光。 调节准直管水平调节螺丝，使狭缝像被叉丝第二条水平线平分，则准直管与望远镜共轴，即准直管主轴与转轴垂直。至此，分光计调节完毕，固定载物台。2、 衍射条纹调节1) 液槽内充好液体后，连接好液槽上的压电陶瓷片与高频功率信号源上的连线，将液槽放置到分光计的载物台上，调节载物台水平调节螺丝，使反射回的绿十字像与分划板调整叉丝水平线重合，确保光路与液槽内超声波传播方向垂直。2) 调节准直管套筒，使狭缝像与分划板调整叉丝竖线重合。调节高频功率信号源的频率，使可以观察到3级衍射条纹，调节狭缝宽度调节螺丝使衍射条纹最细，固定望远镜。3) 将望远
11、镜目镜换成测微目镜，前后移动测微目镜使衍射条纹最清晰，旋转测微目镜，使目镜视场中分划板标尺与衍射条纹平行，固定测微目镜。3、 相邻条纹间距的测量1) 将测微目镜分划板标尺移至-3 级紫光衍射条纹左侧，单向移动标尺，逐次测出-3、-2、-1、0、1 、2、3级条纹位置 Xk1,再反向进行测量（共 3 次） 。2) 重复 1)操作，分别对绿光、黄光进行测量。3) 利用逐差法，计算出相邻条纹间距 L。4、 声速的计算： V s fs/L5、 实验数据环境条件 温度 24 湿度 46% 气压 紫光 绿光 黄光k 级条纹位置L/mm 435.84nm 546.07nm 578.02nm-3 2.409
12、0.752 1.528 1.106 0.913 1.148 1.045 0.270 0.981 -2 3.010 1.303 2.080 1.855 1.605 1.830 1.765 0.965 1.760 -1 3.582 1.858 2.662 2.510 2.314 2.518 2.492 1.685 2.455 1 4.705 2.906 3.794 3.935 3.727 3.900 3.981 3.190 3.928 2 5.285 3.460 4.321 4.650 4.419 4.611 4.717 3.910 4.680 3 5.873 4.106 4.890 5.330
13、5.115 5.235 5.453 4.662 5.368 12)(34kkLL相邻条纹间距L/mm 0.5702 0.5616 0.5613 0.7037 0.6954 0.6875 0.7374 0.7408 0.7317 L 平均值/mm 05643 06955 0.7366UL /mm 0.003 0.004 0.001频率 /Hz 11.38106透镜焦急 f/mm 170声速 v(实验值)/ms -1 1495 1526 1528 Uv/ms-1 8 9 2 声速 v(理论值)/ms -1 1495百分误差 0 2.0% 2.2%其中声速相邻 条纹间距三、 分析、误差处理实验误差主
14、要有:1、仪器误差2、由于实验者原因，对于读数产生的误差3、实验使用的不是纯净水，产生的误差4、实验环境条件（温度、气压等）造成的误差误差处理： mnLUiL 03.6564.13.054.1.05643.702.1 22221 fVmnLUiL 04.6695.87.095.4.0695.703.1 22222 iL 8.32.1.732.8.4.223 1269121 803.5643.01.78.3 smUfLV 126922 94.8.4 fLV1269323 208.736.01.1.58 smUfLV14951%1.262V.149583注意事项1 锆 钛 酸 铅 陶 瓷 片 未
15、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 。 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 1 2 个 单 位数 的 变 动 。4 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
