超声光栅测声速

超声光栅测声速实验目的1、了解超声光栅产生的原理。2、掌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kAksin（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，有：flkksin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kkklflfkkAsin其中kl为相邻条纹间距。液槽中传播的超声波的频率v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klvfAv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（采用低压汞灯作光源）。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叉丝水平线重合，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kl。数据记录与处理实验原始数据已知数据mmf170汞灯波长：汞蓝光435.8nm汞绿光546.1nm汞黄光578.0nm由实验数据及测量公式：kclvf可得下表环境条件温度10℃k级条纹位置kl/mm黄光绿光蓝光λ＝578.0nmλ＝546.1nmλ＝435.8nm-22.0602.1502.570-12.8603.0103.20003.7103.7103.71014.5204.5004.31025.3805.3404.680相邻条纹间距61221）（）（lllllk/mm0.830.780.54频率MHzv/10.80透镜焦距f/mm170声速kclvf(实验值)/m·s-11278.561285.441481.72声速(理论值：OHHC52C20)/m·s-11216百分误差δ5.14%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．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－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，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，但须注意液面下降太多致锆钛酸铅陶瓷片外。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来控制,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。