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1、超声光栅测声速实验目的1、了解超声光栅产生的原理。2、举握用超声光栅测量超声波速度的方法。3、通过对液体（非电解质溶液）中的声速的测定，加深对其概念的理解。实验仪器超声光栅声速仪、分光计、酒精、高压汞灯、测微目镜实验原理超声波作为一种纵波在液体中传 播时，超声波的声压使液体分子产生 周期性变化，促使液体的折射率也相 应的作周期性变化，形成疏密波。此 时如有平行单色光沿垂直超声波方向 通过这疏密相间的液体时，就会被衍 射，这一作用，类似于光栅，所以叫 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可以形成驻波。由于驻波小振幅可以达到单一行波的两倍，加剧了
2、波源和和反射面之间的的疏密程度，某时刻，驻波的任一波节两边的质点都 涌向这一点，使该节点附近形成密集区，而相邻波节处为质点稀疏处；集区。 在这些驻波中，稀疏区使液体的折射率减小，而压缩作用使液体折射率增加，在 距离等于波长A的两点，液体的密度相同，折射率也相等，如上图所示。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 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
3、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A sill = kA (k=0, 1, 2，3,)式中仇为第k级衍射光的衍射角，兄为光波波长。当九角很小时，有：.lksin 如=可以认为各级条纹是等间距分布的。则超声波波长为A _ U _kAf _Af sin 如 lk Mk其中为相邻条纹间距。液槽中传播的超声波的频率”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=Av = L因此，利用超声光栅衍射可以测量液体中的声速。实验内容1、分光计的调节：用自准法调节望远镜聚焦于无穷远，调节望远镜主轴垂直于载物台转轴，调节准直管发出平行光且准直管主轴与转轴垂直。目镜调焦使 看
4、清分划板刻线，并调节望远镜使观察到的狭缝清晰，狭缝应调至最小，实验过 程中无需调节（釆用低压汞灯作光源）。2、将酒精注入液体槽内，液面高度以液体槽侧面的液体高度刻线为准。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义丝水平 线重合，确保光路与液槽内超声波传播方向垂直。3、衍射条纹调节调节准直管套筒，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2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。4、将望远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
5、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。5、相邻条纹间距的测量（1）将测微目镜分划板标尺移至-2级黄光衍射条纹左侧，单向移动标尺， 逐次测出-2、-1、0、1、2级条纹位置。（2）重复（1）操作，分别对绿光、蓝光进行测量。（3）利用逐差法，计算出相邻条纹间距实验原始数据已知数据/ = 170/nm汞灯波长几：汞蓝光435.8nm汞绿光546.1nm汞黄光5780nm由实验数据及测量公式：4 =纠可得下表环境条件温度10 Ck级条纹位置人/mm黄光绿光蓝光X=578.0nmX=546.1nmX=435.8nm-22.0602.1502.570-12.8603.0103.2
6、0003.7103.7103.71014.5204.5004.31025.3805.3404.680相邻条纹间距乩_（/厂）+（厶-/丿/亦0.830.780.54频率v/MHz10.80透镜焦距f/mm170声速匕=纠（实验值l/m-s-l1278.561285.441481.72声速（理论值：C2H5OH20C）/m-s-l1216百分误差5.14%5.71%21.85%误差分析1、仪器误差2、由于实验者原因，对于读数产生的误差3、实验环境条件（温度、气压等）造成的误差注意事项1. 钳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
7、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- I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，不能长时间将链钛酸铅陶瓷片浸 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.
8、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，如已有 污染，可用酒精乙醯清洗干净，或用镜头纸擦净。&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，但须注意液面下降太多致钻钛酸铅陶瓷片外。实验总结超声光栅效应是声光相互作用的一种典型类型，尤其是在声光作用距离较小 情况下，光波通过介质时，介质折射率形成近似不随时间变化的空间周期性分布, 因而光波通过这种周期性分布的介质时，其位相会受到调制。超声光栅还是一种 可擦除的实时光栅，其光栅常数可以通过超声波的频率來控制，利用超声光栅技 术可以对声波特性（如频率、波速、波长、声压衰减、相位等）等进行测量。
