声光衍射
实验41声光衍射法测定液体中的声速
实验41 声光衍射法测定液体中的声速实验41 声光衍射法测定液体中的声速一、实验目的1.掌握声光衍射现象及其原理。
2.学习使用激光器和声源，通过实验测量液体中的声速。
3.学习如何分析和处理实验数据，进一步提高实验操作技巧和数据处理能力。
二、实验原理声光衍射是一种特殊的衍射现象，当声波在液体中传播时，会产生周期性的密度变化，进而引起介质的折射率变化。
这种折射率变化会导致光波的衍射，即声光衍射。
声光衍射现象中，声波和光波相互耦合，形成了纵向的调制信号。
通过测量衍射光的斑点位置，可以确定声波在液体中的传播速度。
本实验采用激光器和声源进行测量。
激光器产生一束单色光，通过光学系统分为两束，一束作为参考光束，另一束作为衍射光束。
声源产生超声波，通过换能器将电信号转换为声信号，并传递到液体样品中。
在样品中传播的声波引起液体密度的周期性变化，进而导致衍射光束的衍射。
通过测量衍射光斑的位置，可以计算出声波在液体中的传播速度。
三、实验步骤1.准备实验器材：激光器、光学系统、声源、换能器、液体样品、测量尺、计算机等。
2.搭建实验装置：将激光器产生的单色光通过光学系统分为两束，一束作为参考光束，另一束通过换能器和液体样品作为衍射光束。
在样品中传播的声波引起液体密度的周期性变化，导致衍射光束的衍射。
3.启动实验程序：打开计算机，进入实验程序。
设置激光器的频率、功率等参数，同时设置声源的频率、幅度等参数。
4.进行实验测量：开启激光器和声源，观察衍射现象。
记录衍射光斑的位置和大小，可以通过测量尺进行手动测量或通过计算机进行自动测量。
重复测量多次以获取可靠的实验数据。
5.处理实验数据：将实验数据输入计算机，使用数据处理软件进行数据处理和分析。
通过拟合实验数据，可以得到声波在液体中的传播速度。
6.清理实验现场：实验结束后，关闭激光器和声源等设备，并将实验现场清理干净。
四、实验结果与分析1.实验结果：通过实验测量和数据处理，得到声波在液体样品中的传播速度v（单位：m/s）。
声光衍射仪光源波长
声光衍射仪光源波长
声光衍射仪是一种利用声光效应将声波和光波相互转换的装置。
光源的波长对声光衍射仪的工作效果有一定影响。
声光效应中的光学衍射是指当光波通过一个声波传播的介质时，由于声波的传播使介质的折射率发生变化，导致光波的传播速度发生变化，从而引起光的传播方向发生偏折、衍射现象。
光的衍射效应与光的波长有关，波长越短，光的衍射效果就越明显。
而声光衍射仪中常使用的光源波长通常在红外、可见光或紫外范围内，根据需求来选择合适的波长。
一般常用的光源波长有633nm（红光）、532nm（绿光）、405nm（蓝光）等。
不同的波长在声光衍射仪中会产生不同的衍射效果，这取决于光的波长相对于介质的声波频率来说是否符合声光共振条件。
当光的波长接近介质的声波频率时，衍射效果会达到最大。
总之，声光衍射仪的光源波长选择需考虑到设备设计、实验目的以及所用介质等因素，合适的波长能够有效提高声光衍射效果。
声光衍射实验报告
声光衍射实验报告声光衍射实验报告引言：声光衍射是一种光学现象，通过将声波与光波相互作用，可以观察到声波对光波的影响。
本实验旨在通过实验观察声光衍射现象，并探究其背后的原理。
实验步骤：1. 准备实验所需材料：激光器、声音发生器、光屏、狭缝、扬声器等。
2. 将激光器置于实验台上，并调整其位置，使激光束垂直射向光屏。
3. 在激光束的路径上放置一个狭缝，用以产生衍射效应。
4. 将声音发生器与扬声器连接，将扬声器置于光屏后方，使声波与光波相互作用。
5. 调节声音发生器的频率和幅度，观察光屏上的衍射图案。
6. 记录观察到的衍射图案，并进行分析和讨论。
实验结果与分析：在实验过程中，观察到光屏上出现了一系列明暗相间的衍射条纹。
这些条纹呈现出一定的规律性，可以通过分析得到一些有趣的结论。
首先，我们发现随着声音发生器频率的变化，衍射条纹的间距也发生了变化。
当频率较低时，衍射条纹的间距较大；而当频率较高时，衍射条纹的间距较小。
这表明声波的频率对光波的衍射效应有着明显的影响。
其次，我们还观察到了不同声音发生器幅度对衍射条纹的影响。
当幅度较小时，衍射条纹的亮度较弱，几乎无法观察到；而当幅度较大时，衍射条纹的亮度较强，清晰可见。
这说明声波的幅度也对光波的衍射效应有一定的影响。
此外，我们还发现声音发生器与光屏的距离对衍射条纹的形成也有一定的影响。
当声音发生器与光屏的距离较远时，衍射条纹的清晰度较高；而当距离较近时，衍射条纹的清晰度较低。
这表明声波和光波的相互作用距离对衍射效应有一定的影响。
实验原理：声光衍射现象的产生是由于声波与光波之间的相互作用。
当声波通过狭缝时，会产生衍射效应，使得光波的传播方向发生偏转。
这种偏转现象导致了光屏上出现了一系列明暗相间的衍射条纹。
声波与光波之间的相互作用是通过声音发生器和扬声器实现的。
声音发生器产生声波，而扬声器将声波传播到光屏上。
当声波与光波相互作用时，声波的频率、幅度以及声音发生器与光屏的距离都会对衍射效应产生影响。
声光衍射
引入：
l (k R k L ) 2 l (k R k L ) 2
合成波的琼斯矢量可以写为：
1 i i (e e ) i 2 i cos Ee e 1 sin ( e i e i ) 2
栅应视为体光栅。
(1)
假设超声波面是部分反射、部分透射的镜面，各镜面间 的距离为s。 现有一平面光波A1B1C1相对声波面以I 角入射， 在声波面上的A2、B2、C2和A2 等点产生部分反射。 在相应于它们之间光程差为光波长的整数倍、或者它们 之间相位差为 2 整数倍的衍射方向d上，光束相干增强。
右旋光介质，逆时针旋转的介质叫左旋光介质。
例如：葡萄糖溶液是右旋光介质，果糖是左旋光介质。 自然界中的石英晶体既有右旋的，也有左旋的，它们的 旋光本领在数值上相等，但方向相反。之所以有这种左、右 旋之分，是由于其结构不同造成的，右旋石英与左旋石英的
分子组成相同（SiO2），但分子的排列结构是镜像对称的，
i d B sin B 2s
布拉格衍射条件
布拉格方程
入射角B 称为布拉格角，满足
该条件的声光衍射称为布拉格
衍射。零级和 1 级衍射光间的 夹角为 2B。
布拉格声光衍射
(2)
由光的电磁理论可以证明，对于频率为 的入射光，其
布拉格衍射的±1 级衍射光的频率为 ± ，相应的零级和
面看作是折射率突变的镜面，实际上声光介质在声波矢Ks方
向上，折射率的增量是按正弦规律连续渐变的，其间并不存 在镜面。
考虑这个因素后，可以证明 2ssin =m 中 m 的取值范
围只能是 1 或 1，即布拉格型衍射只能出现零级和 1 级 或 1 级的衍射光束。
声学衍射和光学衍射的特性和公式有哪些
声学衍射和光学衍射的特性和公式有哪些知识点：声学衍射和光学衍射的特性和公式1. 声学衍射是指声波遇到障碍物时，波前发生弯曲现象。
2. 声学衍射分为两种类型：外部衍射和内部衍射。
3. 外部衍射是指声波从障碍物外部通过时发生的衍射现象。
4. 内部衍射是指声波从障碍物内部通过时发生的衍射现象。
5. 声学衍射的特性与声波的波长、障碍物的尺寸和声波的入射角度有关。
6.声学衍射的公式有： – 菲涅尔衍射公式：I(x,y)=I 0⋅(sin(β)β)2–衍射积分公式：I(x,y)=∫∫u(x′,y′)|r⃗−r ⃗′|d 2r′其中，I(x,y) 为衍射强度，I 0 为入射强度，β 为相位因子，r ⃗ 和 r ⃗′ 分别为衍射点和入射点的位置向量。
7. 光学衍射是指光波遇到障碍物时，波前发生弯曲现象。
8. 光学衍射分为两种类型：夫琅禾费衍射和菲涅尔衍射。
9.夫琅禾费衍射是指光波从无限远处入射到障碍物上时发生的衍射现象。
10. 菲涅尔衍射是指光波从有限距离处入射到障碍物上时发生的衍射现象。
11. 光学衍射的特性与光波的波长、障碍物的尺寸和光波的入射角度有关。
12. 光学衍射的公式有：– 夫琅禾费衍射公式：I(x,y)=0(√2λL)2⋅(sin(β)β)2–菲涅尔衍射公式：I(x,y)=I 0(2λL)2⋅(sin(β)β)2其中，I(x,y) 为衍射强度，I 0 为入射强度，λ 为光波波长，L 为光波到衍射孔的距离，β 为相位因子。
以上是声学衍射和光学衍射的特性和公式的概述，希望对您有所帮助。
习题及方法：1.习题：一个声源位于一个半径为1米的圆形障碍物内部，距离障碍物中心2米。
求在距离障碍物边缘1米处的点上的声压级。
解题思路：本题考查声学衍射中的内部衍射。
根据衍射积分公式，计算衍射强度，然后根据声压级的计算公式求解。
(1)计算相位因子β：β=k⋅|r⃗−r⃗′|，其中k=2πλ，r⃗为声源位置，r⃗′为观测点位置。
声音的衍射现象及解释
声音的衍射现象及解释声音是我们日常生活中常见的一种波动现象，而衍射现象是声音在传播过程中所表现出来的特性之一。
本文将探讨声音的衍射现象以及其解释。
一、声音的衍射现象衍射是指波在遇到障碍物时发生弯曲和传播方向改变的现象。
与光波相比，声波的衍射现象更加明显，这是因为声波的波长相对较大，其传播时会相对容易发生衍射。
声音的衍射现象多发生在声音通过一个开口或障碍物的边缘时。
当声波从一个区域穿过边缘进入另一个区域时，会发生衍射。
具体表现为声音在传播过程中沿着边缘弯曲，向周围扩散。
二、声音衍射的解释声音衍射现象可以通过波动理论来解释。
声波的衍射发生是因为声波传播时遇到了障碍物或开口，并在这些物体的边缘发生了干涉。
当声波遇到一个边缘时，波的一部分被反射回来，另一部分则沿着边缘弯曲并继续传播。
这种干涉导致声波在边缘处弯曲，形成了通过边缘的新的波前，从而使声音向周围扩散。
衍射现象的程度与波长和障碍物的尺寸有关。
波长越长，声音的衍射现象越明显。
而障碍物的尺寸与衍射的程度也成正比。
当声波的波长远大于障碍物的尺寸时，衍射现象会更加明显。
三、实际应用声音的衍射现象在实际生活中有着广泛的应用。
以下是一些常见的应用案例：1. 音响系统：音响系统的设计中会充分考虑声音的衍射现象，以确保音响能够在房间各个位置都能得到均匀的声音分布。
2. 隔音设计：在建筑物的隔音设计中，衍射现象被利用来避免声音的传播。
通过设计合适的墙壁形状和结构，可以减少声波的衍射，从而达到隔音的效果。
3. 声波传感器：声波传感器是利用声音的衍射现象来检测物体的存在和位置的装置。
声波发射器发出声音，当声波遇到物体边缘时发生衍射并被传感器接收，通过分析接收到的衍射声波可以判断物体的位置和形状。
4. 音乐厅设计：音乐厅的设计考虑到声音的衍射现象，以确保观众能够在整个音乐厅内都能感受到清晰、饱满的音乐声音。
总结：声音的衍射现象是声波在传播过程中遇到障碍物或开口时发生的现象。
声音的衍射现象
声音的衍射现象声音是一种机械波，它在传播过程中会遇到物体或障碍物，并进行折射、反射或衍射等现象。
本文将重点讨论声音的衍射现象及其特点。
一、声音的衍射概述衍射是指波传播时遇到障碍物后发生偏离原来传播方向的现象。
由于声音波长在数厘米至几米之间，远远大于光的波长，因此声波波动在物体边缘、缝隙或孔洞等地方都会发生衍射。
二、声音衍射的特点1. 衍射与障碍物大小关系密切。
当障碍物的尺寸比声波的波长大得多时，声波对其衍射的影响较小；而当障碍物的尺寸接近于或小于声波波长时，声波对其衍射的影响显著。
2. 衍射现象与声音频率无关。
频率越高或低的声波，在衍射时呈现出的特点是相同的。
3. 衍射现象与声源强度无关。
声音的衍射与声源强度无关，只与波动性质有关。
4. 衍射现象与传播介质密度有关。
在不同的介质中传播的声波，其衍射现象也会有所不同。
三、声音衍射的应用声音的衍射现象在日常生活和科学领域中有着广泛的应用。
1. 公共广播系统的设置：为了让声音传播到更大的范围，可以通过设置适当的衍射结构，将声音沿着期望的方向传播。
2. 录音棚和音响室设计：为了降低声波的反射和共鸣，声学工程师会利用衍射现象来优化录音棚和音响室的设计，提供更好的音质和听感。
3. 声纳技术：声音的衍射现象可以在水下声纳技术中得到应用，用于判断目标位置和传递信息。
4. 防噪音设计：在城市建设中，通过进行防噪音设计，例如设置声波衍射屏障等，可以减少噪音的传播范围，保护人们的健康和安宁。
四、声音衍射的实验为了直观地了解声音的衍射现象，可以进行简单的实验。
实验材料：喇叭、纸板、剪刀、尺子。
实验步骤：1. 在纸板上剪出一个小孔，孔的大小约为声音波长的1/10。
2. 将纸板置于喇叭前方，并打开音响设备。
3. 观察从纸板孔洞处传出的声音，可以看到声音向四周辐射，呈现出衍射现象。
五、结语声音的衍射现象是声波在传播中的重要特性，其应用广泛且有助于解决实际问题。
通过对声音衍射的研究，我们能更深入地了解声音的传播规律，为相关领域的科学研究和实践应用提供帮助。
基础物理实验-声光衍射
5.8超声行波的声光效应声光效应是指光通过某一受到超声波扰动的介质时发生衍射的现象，这种现象是光波与介质中声波相互作用的结果。
早在本世纪30年代就开始了声光衍射的实验研究。
60年代激光器的问世为声光现象的研究提供了理想的光源，促进了声光效应理论和应用研究的迅速发展。
声光效应为控制激光束的频率、方向和强度提供了一个有效的手段。
利用声光效应制成的声光器件，如声光调制器、声光偏转器和可调谐滤光器等，在激光技术、光信号处理和集成光通讯技术等方面有着重要的应用。
5.8.1实验要求1.实验重点①了解声光效应的原理。
②了解喇曼—纳斯衍射和布喇格衍射的实验条件和特点。
③通过对声光器件衍射效率、中心频率和带宽等的测量，加深对其概念的理解。
④测量声光偏转和声光调制曲线。
⑤模拟激光通讯实验。
2.预习要点①什么是声光效应？②怎么区分喇曼-纳斯衍射和布拉格衍射？如何利用CCD和示波器测量偏转角？③声光偏转器和声光调制器的基本原理是什么？④模拟激光通讯实验是如何传播声音信号的？5.8.2实验原理1.声光效应当超声波在介质中传播时，会引起介质的弹性应变在时间上和空间上作周期性的变化，从而导致介质的折射率也发生相应的变化。
当光束通过有超声波的介质后就会产生衍射现象，这就是声光效应。
有超声波传播着的介质如同一个相位光栅。
声光效有正常声光效应和反常声光效应之分。
在各向同性介质中，声光相互作用不导致入射光偏振状态的变化，产生正常声光效应。
在各向异性介质中，声光相互作用可能导致入射光偏振状态的变化，产生反常声光效应。
反常声光效应是制造高性能声光偏转器和可调滤光器的物理基础。
正常声光效应可用喇曼-纳斯的光栅假设作出解释，而反常声光效应却不能用光栅假设解释。
在非线性光学中，利用参量相互作用理论，可建立起声-光相互作用的统一理论，并且运用动量匹配和失配等概念对正常和反常声光效应都可作出解释。
本实验只涉及到各向同性介质中的正常声光效应。
图5.8.1 声光衍射如图5.8.1所示，设声光介质中的超声行波是沿у方向传播的平面纵波，其角频率为w s ，波长为λs ，波矢为k s 。
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【实验目的】
1．理解声光相互作用的机理和超声光栅的原理； 2．观察声光衍射现象；
3．学会用超声光栅测定液体中的声速。
【实验原理】
声波在气体、液体介质中传播时，会引起介 质密度呈疏密交替的变化并形成液体声场。当光 通过这种声场时，就相当于通过一个透射光栅并 发生衍射，这种衍射称为“声光衍射”。存在着 声波场的介质则称为“声光栅”，当采用超声波 时，通常就称为“超声光栅”。
sin m m / s(m=0，〒1，〒2，……)
式中为入射光波长；s为超声波波长。
测定速度
考虑到m很小，有 sin X 2L ，当光波长 已知，则 可测出超声波的波长s。假如还能测出超声波的频率fs， 则超声波在该液体中的传播速度:
m m
Vs s f s
【注意事项】
1．为避免激光烧伤眼睛，不得以眼睛直视未经扩束的激 光细束，为此不得取下观察屏。
2．声换能器是仪器振荡电路的一部分，未接上声换能器 仪器不能工作。 3．声换能器使用中注意以下两点：a. 声换能器未插入液 体介质中不要开机；b. 不要用手触摸压电晶片。
思考题
温度改变，液体折射率将改变，超声光栅的参数 也将改变，温度对液体中的声速带来什么样的影响？ 设想一下，当在液槽两个相互垂直的方向上，例如Z、X 方向安置超声换能器，能得到一个什么样的超声光栅？
声光衍射
s
Z Vs n
n0
n
Z
(a)
(b)
图 50-1
液体介质中的声波
图50-1(a)表示存在超声场时，液体内呈现疏密相间的周期性密度分布。 图50-1(b)为相应的折射率分布，no表示不存在超声场时该液体的折射率。 由图可见，密度和折射率两者都是周期性变化的，且具有相同的周期，相 应的波长正是超声波的波长。因为是行波，折射率的这种分布以声速向前 推进并可表示为：
声光衍射
重庆大学物理实验中心
重庆大学物理实验中心声光衍射实验室
重庆大学物理实验中心
【实验背景】
声波就其本性而言是一种机械压力波。当声波振 动频率超过20000Hz/s，这时的声波我们就称为超声 波。 布里渊于1923年首次提出声波对光作用会产生衍 射效应。随着激光技术的发展，声光相互作用已经 成为控制光的强度、传播方向等最实用的方法之一， 其中声光衍射技术得到最为广泛的应用。
上式说明叠加的结果产生了一个新的声波；振幅为 2 A cos(2Z / s ) ， 即在Z方向上各点振幅是不同的，呈周期变化，波长为 s (即原来的声波波 长)，它不随时间变化；位相 2t / Ts 是时间的函数，但不随空间变化，这 就是超声驻波的特征。
相应的折射率变化可表示为:
Z
n (Z , t ) 2n sin K s Z cos s t
6．用游标尺测量第〒m级光斑间的距离Xm(为避免找光斑 中心而出现的失误，应当测量两个同级光斑边缘的距离 再加或减光斑的直径)。 7．用温度计测液体的温度。
8．测出超声振荡的频率fs，计算该温度下的声速Vs并求 平均值。 9．改变液槽中液体的温度，测量不同温度下的声速， 温度对于声速的影响。 注意
n (a) n t+T/4 z
s
n t+T/2 n t+3T/4 (b)
z
超声波传播方向 Z 声波反射壁
+m
z (c)
激光束
s
s
n t+T (d) (e)
z
声光介质
+2 2 +1 1 0 –1 –2 –m d
z
电声换能器 PZT
图 50-2 超声驻波场中的折射率分布
图 50-3
超声光栅对光束的衍射作用
以上方法是测量超声波传播速度的有效方法之一。
【实验仪器】
SLD-II声光衍射仪 He-Ne激光器 酒精温度计 游标卡尺 感测屏 米尺
声光衍射试验设备整体实验图
激光光 源
超声换 能器
观测屏 米尺
游标尺
氦氖 激光 光源
声光 衍射 仪
观测屏上观察到的衍射结果：
【实验内容】
屏 液槽 L +2 +1 激光器 0 –1 x1 x2
不同时刻 n( Z , t ) 的分布是不同的，也就是说对 于空间任一点，折射率随时间变化，变化的周期是Ts， 并且对应Z 轴上某些点的折射率可以达到极大值或极 小值；对于同一时刻，Z 轴上的折射率也呈周期性分 s 布，其相应的波长就是 。总之，驻波超声光栅的 光栅常数就是超声波的波长。
当一束单色准直光垂直入射到超声光栅上(光的传播方向在 光栅的栅面内)时，出射光即为衍射光，如图50-3所示。图 中m为衍射级次数，为第m级衍射光的衍射角 m ，可以证明， 与光学光栅一样，形成各级衍射的条件是:
–2
声光衍射仪
图 50-4 一种简单的声光衍射光路
1．在光具座上按图50-4安排光路。
2．在液槽中装入适量透明液体(水、酒精或其它待测液体)， 尽量使液槽器壁的气泡少，放入超声换能器。打开激光器， 使激光束垂直入射在液槽上。 3．连接电路，开机给换能器上加上激励电压。调节声光 衍射仪的频率调节旋钮，直到观察屏上出现衍射图 样。 4．反复仔细地调节液槽的俯仰、方位、液槽中声换能器 的位置以及仪器频率调节旋钮，直到观察屏上出现的衍射 光斑最多而且光强度最大。 5．用米尺测量液槽中心到屏之间的距离L并求平均值。
n(Z , t ) n sin(K s Z s t )
式中Z为超声波传播方向上的坐标； s 为超声波上适当位置垂直地设置一个反射面，则可获得超 声驻波 ：
t a( Z , t ) 2 A cos 2 sin 2 s Ts