超声光栅测声速
超声光栅测声速
实验 20 超声光栅测声速本实验隶属声光效应实验范畴。
在光路中放置一产生声波振动的媒介实现对透过光的调制，而且调制效果可以与声信号存在可计算的联络，了解如何对光信号进行调制，以及实现这一过程的手段，同时也为测量液体（非电解质溶液）中的声速提供另一种思路和方法。
实验目的和学习要求1．了解超声光栅产生的原理。
2．了解声波如何对光信号进行调制。
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。
实验原理超声波是一种频率高于人耳能感觉到的声波频率（约在16— 120000Hz 之间）的机械波，即频率高于 20KHz的声波就是超声波。
根据波动理论，超声波的波长，频率和速度 V 三者之间亦有如下的关系：V＝· 。
本实验就是利用已知频率的超声辐射器向传播超声的介质（液体）发射超声波，然后用光学方法间接地测出它的波长从而求出超声波在该介质中的传播速度V。
精确测量液体中的超声速度对研究该液体的物理性能、分子结构、声光作用的机理以及声阻抗的测量等都是很有意义的。
光波在介质中传播时被超声波衍射的现象，称为超声致光衍射（亦称声光效应）。
产生超声波的方法很多，较常用的是利用某些晶体的压电效应来产生超声波，本实验中采用锆钛酸铅陶瓷片（或称PZT 晶片）。
超声波作为一种纵波在液体中传播时，其声压使液体分子产生周期性的变化，形成疏密波。
稀疏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。
因此液体密度的周期性变化，必然导致其折射率也相应地作周期性变化。
如图20-1 所示。
此时，如有平行单色光沿垂直于超声波传播方向通过这疏密相间的液体时，就相当于通过一个透射光栅，因而会发生衍射，这种衍射称为“声光衍射” 。
存在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”。
图 20-1 实验原理示意图超声波传播时，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叠加而形成超声频率的纵向振动驻波。
超声光栅测量声速
用超声光栅测定液体中的声速一、实验目的（1）学习声光学实验的设计思想及其基本的观测方法。
（2）测定超声波在液体中的传播速度。
（3）了解超声波的产生方法。
二、仪器用具分光计，超声光栅盒，高频振荡器，数字频率计，纳米灯。
三、实验原理将某些材料（如石英、铌酸锂或锆钛酸铅陶瓷等）的晶体沿一定方向切割成晶片，在其表面上加以交流电压，在交变电场作用下，晶片会产生与外加电压频率相同的机械振动，这种特性称为晶体的反压电效应。
把具有反压电效应的晶片置于液体介质中，当晶片上加的交变电压频率等于晶片的固有频率时，晶片的振动会向周围介质传播出去，就得到了最强的超声波。
超声波在液体介质中以纵波的形式传播，其声压使液体分子呈现疏密相同的周期性分布，形成所谓疏密波，如图1a)所示。
由于折射率与密度有关，因此液体的折射率也呈周性变化。
若用N0表示介质的平均折射率，t时刻折射率的空间分布为式中ΔN是折射率的变化幅度；ωs是超声波的波角频率；Ks是超声波的波数，它与超声波波长λs的关系为Ks=2π/λs。
图1b是某一时刻折射率的分布，这种分布状态将随时以超声波的速度vs向前推进。
如果在超声波前进的方向上垂直放置一表面光滑的金属反射器，那么，到达反射器表面的超声波将被反射而沿反向传播。
适当调节反射器与波源之间的距离则可获得一共振驻波（纵驻波）。
设前进波与反射波分别沿y轴正方向传播，它们的表达式为其合成波为此式就是驻波的表达式。
其中表示合成以后液体媒质中各点都在各自的平衡位置附近作同周期的简谐振动，但各点的振动为，即振幅与位置y有关，振幅最大发生在处，对应的（n=0，1，2，3……）这些点称为驻波的波幅，波幅处的振幅为2A，相邻波幅间距离为。
振幅最小发生在处，其中，这些点称为波节，如图2中a、b、c、d为节点，相邻波节间的距离也为。
可见，驻波的波腹与波节的位置是固定的，不随时间变化。
对于驻波的任意一点a，在某一时刻t=0时，它两边的质点都涌向节点，使节点附近成为质点密集区；半周期后，节点两边的质点又向左右散开，使波节附近成为稀疏区。
超声光栅测液体声速
超声光栅测液体声速超声光栅测液体声速【实验目的】1.理解超声光栅形成的原因，了解声光作用的原理。
2.调整光路，用超声光栅声速仪测量声波在液体中的传播速度。
【实验原理】一、超声光栅及其成像特点任何能对入射光相位、振幅给与周期性空间调制的装置，都可称为光栅。
载有超声波的液体（本实验是液体槽）具有上述作用，所以称为超声光栅，其光栅常数等于超声波波长。
当压电晶体被信号发生器激励产生超声波时，适当调节压电晶体与反射板之间的平行度，使槽内形成驻波。
这时如果用具有一定扩散角度的线光源垂直于声波方向照射透明液槽，在液槽的另一侧成像装置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，这是超声波驻波的自身放大像，即超声光栅的自身影像，其条纹间距对应于超声波的半波长2λ。
二、测量基本原理当我们用点光源（球面波）照射超声光栅时，类似投影幻灯形式可看到被放大的超声光栅自身像，即超声驻波像。
由于超声波频率v 可由频率计测得，其波长λ可由驻波像的间隔测得，根据关系式（1）可得到超声波在该介质中的传播速度值，这种利用超声光栅测声速的方法，通常称为振幅栅法。
测定波长λ的方法及特点1. 振幅栅法（超声光栅驻波像法）在声波传播方向上利用测微装置测量液槽的移动，此时显示器上驻波的放大像也随着移动，利用显示屏上的十字标记，记录移过标记的条纹数。
如果液槽移动距离为L （利用数显卡尺测定），已过标记的条纹数为N ,则待测液体的声波波长为NY2=λ （2）由公式（1）和（2）得到最后测量公式NvL2=v （3）2.干涉法、相位法（见空气声速测定实验介绍）【实验装置】1.载有超声波的透明液槽，透明液槽内装有产生超声振动的压电晶体。
2.稳频超声波信号源：1.710MHz 。
3.微小平行移动距离的测微装置。
4.前置狭缝及光源。
5.观察超声驻波像的成像装置：CCD 摄像镜头和显示器等。
A ：超声波信号源 F ：图像显示器 E ：CCD 摄像镜头 G ：微小平移测微装置H ：压电传感器 I ：透明液体 J ：前置狭缝及光源图2 实验装置图【实验步骤】1.把液槽放在测微测量装置上，装满待测透明液体，使超声波传播方向与测微装置移动方向一致。
超声光栅测声速
光栅衍射原理
光栅衍射光路图 (强度分布 强度分布) 强度分布
Y
I
光 透 栅 镜
屏 幕
光栅衍射光路图 (具体分析 具体分析) 具体分析
主极大(明条纹 角位置条件 主极大 明条纹)角位置条件 明条纹 光栅方程: 光栅方程
a +b
d sin ϕ
L
P
ϕ
ϕ
o
f
d sin ϕ = ±kλ
k = 0,1,2,LL
分光计的主要构造
中心 转轴
刻度盘与游标盘
分光计的光学系统及调节的要求
平行光管 载物台 望远镜
目镜、物镜、平行光 目镜、物镜、 望远镜轴线、载物台、 望远镜轴线、载物台、平行光 管 管轴线vs中心转轴 管轴线 中心转轴 仪器转轴
一同轴 三调焦 三垂直
分光计的测角度的方法
如何测？ 如何测？
测什么？ 测什么？
超声光栅形成原理
• 超声波纵波在盛有液体的玻璃槽中传播时，液体被
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。稀疏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， 因此液体密度的周期变化，导致其折射率也呈周期 变化。若超声行波以平面波的形式沿X 变化。若超声行波以平面波的形式沿X轴正方向传 播时，波动方程可描述为
思考题
• 1.为什么超生腔内形成的是纵驻波？ 1.为什么超生腔内形成的是纵驻波？ • 2.本实验如何保证平行光束垂直于声波的方向？ 2.本实验如何保证平行光束垂直于声波的方向？ • 3.驻波波节之间距离为半个波长，为什么超声光 3.驻波波节之间距离为半个波长，为什么超声光 • •
实验内容
• 调节分光计（三调焦三垂直） 调节分光计（三调焦三垂直） • 放置超声池，调节到共振状态，观察衍射 放置超声池，调节到共振状态， 一级谱
利用光栅测量液体中的声速
超声光栅测液体声速【实验目的】1.理解超声光栅形成的原因，了解声光作用的原理。
2.调整光路，用超声光栅声速仪测量声波在液体中的传播速度。
【实验原理】一、超声光栅及其成像特点任何能对入射光相位、振幅给与周期性空间调制的装置，都可称为光栅。
载有超声波的液体（本实验是液体槽）具有上述作用，所以称为超声光栅，其光栅常数等于超声波波长。
当压电晶体被信号发生器激励产生超声波时，适当调节压电晶体与反射板之间的平行度，使槽内形成驻波。
这时如果用具有一定扩散角度的线光源垂直于声波方向照射透明液槽，在液槽的另一侧成像装置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，这是超声波驻波的自身放大像，即超声光栅的自身影像，其条纹间距对应于超声波的半波长。
二、测量基本原理当我们用点光源（球面波）照射超声光栅时，类似投影幻灯形式可看到被放大的超声光栅自身像，即超声驻波像。
由于超声波频率可由频率计测得，其波长可由驻波像的间隔测得，根据关系式v=L/Y（1）可得到超声波在该介质中的传播速度值，这种利用超声光栅测声速的方法，通常称为振幅栅法。
测定波长的方法及特点1. 振幅栅法（超声光栅驻波像法）在声波传播方向上利用测微装置测量液槽的移动，此时显示器上驻波的放大像也随着移动，利用显示屏上的十字标记，记录移过标记的条纹数。
如果液槽移动距离为L（利用数显卡尺测定），已过标记的条纹数为N,则待测液体的声波波长为（2）由公式（1）和（2）得到最后测量公式（3）2.干涉法、相位法（见空气声速测定实验介绍）【实验装置】1.载有超声波的透明液槽，透明液槽内装有产生超声振动的压电晶体。
2.稳频超声波信号源：1.710MHz。
3.微小平行移动距离的测微装置。
4.前置狭缝及光源。
5.观察超声驻波像的成像装置：CCD摄像镜头和显示器等。
A：超声波信号源 F：图像显示器 E：CCD摄像镜头 G：微小平移测微装置H：压电传感器 I：透明液体 J：前置狭缝及光源图2 实验装置图【实验步骤】1.把液槽放在测微测量装置上，装满待测透明液体，使超声波传播方向与测微装置移动方向一致。
超声光栅测声速
为共振时频率计
实验内容与步骤
1.调好分光计 1.调好分光计 将待测液体纯净水注入液体槽内, 2.将待测液体纯净水注入液体槽内,液面高度以液体槽侧面 的刻线为准. 的刻线为准. 将液体槽座卡在分光计载物台上, 3.将液体槽座卡在分光计载物台上,液体槽卡住载物台边的 缺口对准锁紧螺钉的位置,放置平稳, 缺口对准锁紧螺钉的位置,放置平稳,并用载物台侧面的锁紧 螺钉锁紧. 螺钉锁紧. 将液体槽（也称超声池）平稳地放置在液体槽座中, 4.将液体槽（也称超声池）平稳地放置在液体槽座中,转载 物台使超声池两侧表面基本垂直于望远镜和平行光管的光轴 两支高频连接线的一端各插入液体槽盖板的接线柱上， 5 . 两支高频连接线的一端各插入液体槽盖板的接线柱上 ， 另一端接入超声光栅仪电源箱的高频信号输出端， 另一端接入超声光栅仪电源箱的高频信号输出端，然后将液 体槽盖板盖在液槽上； 体槽盖板盖在液槽上； 开启超声信号源电源， 从阿贝目镜观察衍射条纹， 6 . 开启超声信号源电源 ， 从阿贝目镜观察衍射条纹 ， 仔细 调节频率微调钮， 调节频率微调钮，使电振荡频率与锆钛酸铅陶瓷片固有频率 11MHz 共振, 此时, （ 约 11 MHz ） 共振 , 此时 , 衍射光谱的级次会显著增多且更 为明亮. 为明亮.
超声光栅的产生机制
y A 疏 n nmax A nmin nma
x
t
密
疏
密
疏
反 射 板
平行单色光沿垂直于超声波传播方向通过这疏密相 间的液体时，就会被衍射，这一作用，类似光栅， 间的液体时，就会被衍射，这一作用，类似光栅， 所以称为超声光栅 超声光栅。 所以称为超声光栅。
液体中测声速的原理
超声波的波长A相当于光栅常数。 超声波的波长A相当于光栅常数。 光栅方程
超声光栅测声速实验（全）
超声光栅测声速实验（全）超声光栅测声速一、实验目的1. 了解超声光栅的产生原理。
2. 了解声波如何对光信号进行调制。
3. 通过对液体中声速的测定，加深对声学光学中物理概念的理解。
二、实验原理光波在介质中被超声光栅衍射的现象，被称为超声致光衍射。
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的变化，促使液体折射率也作出相应的变化，形成疏密波。
当产生驻波时，波节处变为密集区，其作用使液体折射率减小，压缩作用使液体折射率增大。
形成类似于光栅的作用。
当满足拉曼-奈斯衍射条件：22/1l A πλ<<时这种衍射相似于平行光栅衍射，可得如下光栅方程：k ASin k φλ=在调好的分光计上，且当k φ很小时，有：/k k Sin l f φ=其中，k l 为衍射零级谱至k 级的距离；f 为透镜焦距。
所以超声波波长：k kk k f A Sin l λλφ== 超声波在液体中的传播速度：k f v A l λγυ==?其中υ是振荡器的共振频率，k l ?为同一色光衍射条纹间距。
三、实验步骤1．分光计的调整，用自准法使望远镜聚焦于无穷远，目镜调节使看清分划板刻线，实验过程中无需调节。
2．采用低压汞灯作光源。
3．将待测液体注入，液面高度以刻线为准。
4．将此液体槽置于载物台上，放置时使超声池表面两侧基本垂直于望眼镜和平行光管的光轴。
5．连接号电路，开启超声信号电源，观察衍射条纹，微调信号的频率，使条纹级次明显增多和清晰。
6．观察到3~4级以上的衍射条纹使，取下阿贝目镜，换上测微目镜，分别测出不同颜色条纹的间距。
7．计算公式为：c k f v l λγ=四、数据处理1、纯净水Y =1.38502.1320 2.91503.68104.4150L =1.48502.1950 2.91503.64504.3450B =1.71802.2950 2.91503.47004.0950黄光间距均值绿光间距均值蓝光间距均值1.0e-003 *0.7632 0.7183 0.5920黄光标准差绿光标准差蓝光标准差1.2032 0.9376 0黄光声速绿光声速蓝光声速1.0e+003 *1.5051 1.5108 1.4629相对误差0.0150 0.0188 -0.01352、酒精Y =1.15102.11603.0090 3.97104.9210L =1.27002.18103.0090 3.89104.8310B =1.67502.29903.0090 3.67504.4550黄光间距均值绿光间距均值蓝光间距均值1.0e-003 *0.9375 0.8785 0.6927黄光标准差绿光标准差蓝光标准差1.4856 1.0974 0黄光声速绿光声速蓝光声速1.0e+003 *1.2273 1.2375 1.2525相对误差0.0508 0.0595 0.0723五、实验心得这次实验又一次使我看到了光的波动性在精确测定微小值时的准确性，这次利用的是光栅衍射的特性，又一次让我感受到了光学原理的重要应用。
大学物理实验超声光栅测声速
从图1-图3中我们
反 射
可以看到驻波在T/2
板
个周期内各质点处密
度变化情况，从图中
看出奇数点不发生振
动，这样的点为波节，
反
且波节与波节处相距
射 板
λ/2，即条纹间距对
应于超声波的半波长
v—1
—v2
—v3
—v4
.
22
这4次超声波波速平均值
4
vi
v i1 4
vA
4
(vi v)2
i 1
12
vB 0.02 3
v vA2vB2
Ev
v100% v
.
23
注意事项
1、先向液槽内加水，再加超声波信号（注意顺 序！）。防止发射探头内的压电陶瓷片在空气中强 行振动而损坏。 2、建议调细明条纹宽度，记录明条纹通过叉丝的 数目（厂商建议）。调节方法：将狭缝宽度调窄 3、每组测量时，只能沿一个方向旋转读数鼓轮， 避免空程误差 4、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，可用酒精清洗干净， 或用镜头纸擦净。
实验目的
1.了解超声致光衍射的原理; 2. 掌握利用声光效应测定液体中声速的方
法；
1、横波与纵波
横波也称“凹凸波”，是质点的振动方向与波的传 播方向垂直。在横波中突起的部分为波峰，凹下部 分叫波谷。波长通常是指相邻两个波峰或波谷之间 的距离。电磁波、光波都是横波。 纵波是质点的振动方向与传播方向平行的波。在纵 波中波长是指相邻两个密部或疏部之间的距离。如 敲锣时，锣的振动方向与波的传播方向就是平行的。 常见的纵波有声波（Sound wave）和地震引起的P 波（P-waves，含义是Primary wave，因为P波是地 震波中传播最快的一种，地震时最先到达震中）。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
Δd2
Δd3
Δd4
信号源的振动频率ν：1.71MHz
求出4次超声波声速平均值并计算不确定度
四次声速的平均值（单位ห้องสมุดไป่ตู้m）
v1
v2
v3
v4
六、数据处理
七、结果陈述和实验总结：
八、思考题
指导教师批阅意见：
成绩评定：
预习
（20分）
操作及记录
（40分）
数据处理与结果陈述30分
思考题
10分
报告整体
印象
总分
得分
教师签名
批改日期
深圳大学实验报告
课程名称：大学物理实验（二）
实验名称：超声光栅测声速
学院：
指导教师：
报告人：组号：
学号：实验地点：物理光电楼204B
实验时间：年月日
提交时间：
一、实验目的
二、实验原理
三、实验仪器：
四、实验内容与步骤
五、数据记录：
组号：；姓名
记录每隔十条条纹的移动距离。测量四次（单位mm）