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1、普通物理实验C课程论文iiJ题目：超声光栅声速测定专业年级：物理学08级4班姓 名：赵 珊学 号：222008315011187指导教师：孙卫伟论文成绩：答辩教师签字:目录摘要1关键词1正文1超声光栅声速测定法的提出背景22实验原理32.1超声光栅形成原理2.2超声光栅测定声速的理论依据2.3驻波像的形成2.4测量波长的方法和特点3实验研究 3.1CGS超声光栅声速测定仪器介绍.3.2实验操作3.2.1利用干涉法、相位法测定液体声速3.2.2利用二次干涉法测定液体声速3.2.3利用超声波驻波像测定声波波长3.3实验注意事项3.4实验数据记录与处理3.5讨论与分析4结束语参考文献附录1922年，
2、布里渊曾预言，当高频声波在液体中传播时，如果可 见光通过该液体，首次提出对可见光产生衍射效应。这一预言在十年 后得到验证，这一现象被称作声光效应。若声光作用距离L较小，光 波通过时，介质折射率的空间周期性变化性质可近似认为是时间不变 的,其位相受到的调制,如同经过一个正弦位相光栅,正弦位相光栅与 普通平面矩形光栅的衍射主极大满足类似的光栅方程。1935年，拉 曼（Raman）和奈斯（Nath）对声光效应进行研究发现，在一定条件下, 声光效应的衍射光强分布类似于普通的光栅，所以也称为液体中的超 声光栅,超声光栅是一种可擦除的实时光栅，它的光栅常数和位相调 制深度可以通过超声波的频率和振幅来控制，
3、因此，越来越引起人们 的关注，尤其是利用超声光栅产生的多普勒频移技术，在外差干涉测 量等许多领域得到了广泛应用。近年来,随着激光技术的发展，声光 相互作用又重新引起人们的注意，超声光栅已成为控制光的强度、传 播方向等的实用方法之一，并得到日益广泛的应用。M. S. Greenwood 等人利用超声光栅衍射谱（UD GS）来表征泥浆,从而测量它的颗粒尺 寸;梅振林等人将超声光栅用于声速的测量,设计出一种切实可行的 仪器并将其用于大学物理基础实验。其中，CGS型超声光栅声速仪为 大学物理实验仪器。2实验原理2.1超声光栅形成原理（驻波、声光结合原理）2.1.1驻波的形成当一束波长为，周期为的平面正
4、弦超声波在液体里传播时，波 前进路径上的液体波周期性地压缩与膨胀，其密度会发生周期性的变 化，形成疏密波。液体对光的折射率与液体的密度有关。疏密作用会 使液体密度减小、折射率减小。压缩作用会使液体密度增大、折射率 增大。如果在超声波前进的方向上放置一个表面光滑且与超声波波阵 面平行的金属反射板，那么到达反射板表面的超声波将反射而沿反方 向传播。在一定条件下，前进波与反射波叠加而形成驻波。2.1.2超声光栅的形成在光学上，任何装置只要它能给入射光的相位、振幅或者俩者同 时加上一个周期性的空间调制，都可以称为光栅。某时刻，驻波的任 一波节俩边的质点都涌向这个节点。使该节点成为质点密集区，而相 邻的
5、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俩 边散开变为稀疏区，相邻波节处变为密集区。随着液体密度的周期性 变化，折射率也呈周期性变化。于是当一束光沿垂直于超声波传播的 方向通过液体时，光就像通过一个透射光栅那样，产生衍射现象，这 种由超声驻波在液体中传播形成的液体光栅称为超声光栅，其光栅常 数等于超声波波长入。注意：光在液体中的传播速度约为3.E+08 m/s，因此，可以认为光 在通过液体的一段时间内其光栅结构不随时间改变，因此，超声光栅 与一维光栅有着相似的作用，其光栅常数越小（超声波的频率很高）， 衍射作用就越明显。当超声波频率比较低（如2Mhz左右，其光栅常 数约1条线/m
6、m）此时，光的衍射效果可以忽略，直线传播性质明显，只能显示光栅的自身影像，即超声驻波像。2.2超声光栅声速测定的理论依据利用超声光栅测量液体声速的方法是：在频率已知的情况下，测 量波长然后利用关系式C=f 计算声速值。式中c为声速，f为声 波频率，为声波波长。测定声波波长可以用俩种方法。一是，利 用较高频率的超声驻波形成衍射效果明显的光栅，来测定光栅常数即 声波波长。二是，利用较低频率的超声波建立驻波，然后利用驻波自 身像测定声波长。CGS超声光栅声速测定仪就是利用频率为1710KHZ 的超声驻波自身像来测定声波波长仪器，这种方法通常为振幅栅法。 CGS型超声光栅声速测定仪工作原理：当压电品体
7、Q被信号发生器B激励产生超声波时，适当调节反射 板E使槽内形成驻波。这时如果用具有一定扩散角度的线状光源垂直 于声波方向照射液槽，在液槽的另一侧的专用光屏上可以观察到光线 被超声驻波调制而产生的明暗相间的条纹，这是声波的自身放大像， 及超声光栅的自身像。这里利用扩散线光源的日的主要是为了获得放 大了的驻波像。专用光屏实际上是用在暗筒内安装了成像用的带有+ 字刻度的光屏和放大镜。通过观察窗口能够观察到放大了的明暗相间 的条纹。2.3驻波像的形成驻波在声波的一个周期内，液体中的密集区（或稀疏区）经历“形 成”、“消失”、“移位”、“再消失”的过程。这样，在驻波液体中存在 着时间上相差半周期，空间上
8、相对位移半波长的俩个交替的瞬间驻波 状态，而这俩个瞬间状态自形成驻波像。如图3，液体质点位移ar （运动方向用箭头表示），声压p和折 射率n随反射板距离的分布关系，图中画出了 t, t+入/4 ,t+入/2， 三个瞬间。其中t和t+入/2恰好是驻波幅度最大的俩个瞬间，从图中 可看出在这时间上相差半周期的俩个瞬间液体中密集区（稀疏区）的 位置移动了半个波长。从图中还可以看出t+入/4瞬间，驻波处于消失 状态。所以，一个驻波的周期存在t和t+入/2俩次瞬间驻波像。但 是由于超声波频率变化非常快，而人的视觉有暂留现象，无法感觉其 迅速交替过程，结果我们在屏上见到的明暗相间条纹，交际上是上述 俩个瞬间
9、状态驻波影像的叠加，即其条纹间距对应于超声波的半波 长。2.4测定波长的方法和特点利用超声驻波像测定声波波长时，因为使用了发散光束，在光屏 上得到的明暗相间条纹是放大了的驻波像，因此，屏上条纹间距不等 于声波长。为了测量待测液体的声波长，必须在声波传播方向上利用 测微装置移动并且测量液槽，使光屏上的驻波放大像也随着移动，利 用光屏上的+字标记，记录移动过标记的条纹数，如果液槽移动距离 为Y （利用测微测量仪器测定），移动标记的条纹数为n，则待测液体 的声波波长为2Y/n。利用该方法测量声速时，因为驻波结构是比较稳定的，在整个测 量过程中不容易受其他干扰，而且使用稳频固定频率信号，因而消除 了引
10、起系统误差的各种可能性因此该一起的测量精度比较高。3实验研究3.1 CGS型超声光栅声速测定仪仪器介绍光屏B信号发生器。测微装置专用光展待测液体放太夷观察窗口.图1 CGS型超声光栅声速测定仪仪门扩散线光源0Q压电晶体1E反射板I .舛 1=0 / r图2 CGS型超声光栅声速测定仪仪器原理图如图2, CGS型超声光栅声速测定仪主要由五个部分组成：1：超声波液槽Ao内部尺寸50mm*70mm*90mm。在透明槽内安装有产生超声振动的压电品体Q和正对品体的反散射板Eo2：激励压电品体产生超声振动的稳频超声振动波信号发生器Bo输出信号频率：1710KHZ；频率稳定度：1.E-05；输入信号幅度：大
11、于20V（为了使用方便设俩个并联的输出端）；使用电源：交流220V5%；耗电功率：小于45W3：能够把液槽沿声波传播方向平移的测微测量装置C。数字显示，厂家可提供俩种型号其最小分度值分别为 0.01mm或 0.001mm。用户根据测量精度要求自选。测量距离100mm，可测条纹 数多于150条。本实验用的是0.01mm的精度。4：具有可调狭缝的线状光源D。使用光源：6.3V百灯丝灯泡可调狭缝：狭缝长度12mm狭缝缝宽调节范围0-2mm。5：显示观察条纹用的专用光屏S。高度，方向可调，光屏中心部位有+字标记放大镜焦距可以调节。其他附件：（1）超声相位法、干涉法：一个压电接收探头及其支架示波器（2）
12、二次干涉法：a能产生直径20mm平行光的激光光源b 一个成像透镜 c光屏3 .2实验操作3. 2.1利用超声干涉法，相位法测定液体声速首先，以超声波接收探头代替反射板的位置，利用探头支架把探 头连接在测微测量仪上，调节接收探头，使探头的晶体面与发射探头 品体面与发射探头品体面等高且平行，这时超声波的传播方向和测微 仪器的测量方向应当严格平行。（1）干涉法测量声波长把信号发生器的一个输出端接在发射探头上，接收探头信号接到示波器的Y轴输入端。当仪器正常工作时，发射探头和接收探头之间 产生干涉叠加。如果单方面改变俩者之间距离，那么，每当满足半个波长的整数倍时，都能形成驻波状态，可利用示波器观 察接受
13、探头所产生信号的周期性变化来测定声波长。如果信号强度（极大值或者极小值）变化n次，距离变化为Y，则声波波长入二2Y/n（2）相位法测定声波长在干涉法的基础上，再把信号发生器另一输出端的信号接入到示 波器的X轴输入端，就成为相位法的测量装置。这时，示波器的图形就显示发射探头和接收探头之间相位变化的 李萨如图形。俩者之间的距离每当改变一个波长入，图形的形状就 周期性的变化一次。如果图形的变化n次，测微装置测量距离为Y， 那么声长就等于入二2Y/n3. 2.2利用二次干涉法测定液体声速二次干涉法的测量装置，由产生直径约20mm的扩展平行光束的 激光系统、可调反射板的液槽、成像透镜及光屏组成。二次干涉
14、法测 量时，是把激光光束透过驻波产生的超声光栅作为物，利用成像透镜 把这个物（光栅）的像显示在光屏的方法测量声波波长。阿贝成像告 诉我们，光屏上看到的明暗条纹是在透镜焦平面上超声光栅的傅立叶 频谱作为子光源再组合（二次干涉），在像平面上干涉叠加，形成了 超声光栅的放大像。这时，设透镜的焦距为f，焦平面与光屏距离为 1，光屏上的条纹间距离为p，则声波波长入等于入二2vfp/l。因此， 可求出v=f*入二2三?/1 （在二次干涉法中也可以用测微装置平移超声波液槽方法测定）3.2.3利用超声波驻波像测定声波波长（本实验采用）（1）首先，调节驻波液槽内的反射板，压电品体面与反射板等 高平行，其间距约5
15、0mm，然后装入待测液体。（2）把液槽放在测微测量装置上，使超声波传播方向和测微测 量装置的测量方向一致。（3）把光源、液槽、光屏依次调整，使其等高、同轴，并使光 束的照射方向和液槽内光波传播方向严格垂直。（光源狭缝与液槽距 离约35mm，液槽与专用光屏前端距离约10mm）（4）连接光源与6.3v交流电源，连接超声波信号发生器的输出 端与超声波液槽信号输入插头，接通电源使光源系统和超声波信号发 生器开始工作。调节光屏的位置使透过超声波液槽的扩散光束处于光 屏中心。（5）调节反射板，调节狭缝的方向，宽度（0-0.5mm），高度及 狭缝与灯丝距离。要求灯丝、狭缝的方向与声波波阵面严格一致。这 时，再调狭缝宽度和光屏放大镜使光屏上能够观察到清晰的条纹。（6）测量时，测量者先决定液槽的移动方向，然后按测量方向移 动测微装置，使光屏上的液槽，一边记移过+字标记的条纹数。设移 动距离为Y，移过+字标记的条纹数是n （一般n为40-60条），则待 测液体的波长为2Y/n，待测液体的声速=入f。3.3实验注意事项（1）该仪器使用中，特别注意保护的部分为超声波液槽和发射探头及超声波信号发生器。（2）先将液槽内添加待测液体，然后加超声波信号，以防止发 射探头内的压电陶瓷片在空气
