利用超声光栅测定液体中的声速(精)

利用超声光栅测定液体中的声速
实验简介：
光通过处在超声波作用下的透明介质时发生衍射的现象称作声光效应。

1922年布里渊(Brillouin,L.1889—1969)曾预言液体中的高频声波能使可见光产生衍射效应，10年后被证实。

1935年拉曼（Raman,C.V.1888—1970）和奈斯（Nath）发现，在一定条件下，声光效应的衍射光强分布类似于普通光栅的衍射。

这种声光效应称作拉曼—奈斯衍射，他提供了一种调控光束频率、强度和方向的方法。

本实验要求在理解超声光栅基本原理的基础上掌握实验的调节和测量方法。

实验目的：
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。

实验仪器：
超声光栅实验仪（数字显示高频功率信号源及内装压电陶瓷片的液槽）、分光计、低压汞灯、温度计。

实验原理：
1、超声光栅的形成
汞灯超声池
分光计
在透明介质中传播的超声波使介质的局部发生周期性的压缩与膨胀，以至密度随之发生相应的变化，某时刻，纵驻波的任一波节两边成为质点密集区，而相邻的波节处为质点稀疏区；半个周期后两个节点附近的质点又向两边散开变为稀疏区，相邻波节处变为密集区。

稀疏区作用使介质折射率减小，而压缩作用使介质折射率增大（如图1所示）。

单色平行光束沿着垂直于超声波传播方向通过槽中的液体时，因超声波的波长很短，只要槽足够宽，槽中的液体就像一个衍射光栅，途中的声波波长Λ就相当于光栅常数。

2、光栅常数的测量及声速的计算：
根据光栅方程，衍射的主极大（光谱线）由下式确定：
sin()(2,1,0,1,2,)k k k ϕλ
Λ==
--
其中λ为光源波长，k 为干涉级数，k ϕ为光栅衍射零级至k 级光谱的夹角。

超声的实验光路图如图2所示，实际上因ϕ角很小，可以认为k k ϕλΛ= 所以超声波波长
/k k λϕΛ=
t
2T t + 图1 在t 和2
T t +
（T 为超声振动周期）两时刻振幅y ，液体疏密分
布和折射率n 的变化
图2 超声光栅衍射光路
12
超声光栅在液体中的传播速度V f
式中：f是高频功率信号源与压电陶瓷的共振频率。

实验内容及实验步骤：
1、分光计的调整（调整方法见分光计的使用实验），用自准直法使望远镜聚焦于无穷远，望远镜的光轴与分光计的转轴中心垂直，平行光管与望远镜同轴并出射平行光，观察望远镜的光轴与载物台的台面平行。

目镜调焦使看清分划板刻线，并以平行光管出射的平行光为准，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；
2、将待测液体（如蒸馏水、乙醇或其他液体）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；
3、将此液体槽（可称其为超声池）放置于分光计的载物台上，放置时，使超声池两侧表面基本垂直于望远镜和平行光管的光轴；
4、两支高频连接线的一端各插入液体槽盖板上的接线柱，另一端接入超声光栅仪电源箱的高频输出端，然后将液体槽盖板盖在液体槽上；
5、开启超声信号源电源，从阿贝目镜观察衍射条纹，细微调节旋钮（2），使电振荡频率与锆钛酸铅陶瓷片固有频率共振，此时，衍射光谱的级次会显著增多且更为明亮；
6、如此前分光计已调整到位，左右转动超声池（可转动分光计载物台或游标盘，细微转动时，可通过调节分光计图中（15）螺钉实现），能使射于超声池的平行光束完全垂直于超声束，同时观察视场内的衍射光谱左右级次亮度及对称性，直到从目镜中观察到稳定而清晰的左右各3－4级的衍射条纹为止；
7、按上述步骤仔细调节，可观察到左右各3－4级以上的衍射光谱；
8、对水的声光衍射用分光计分别测量蓝紫、绿、黄三条谱线各级的位置，即时记录频率和液体温度（可用室温）。

9、声速计算公式为：
kclfVΔ=/λν
式中：λ－光波波长；υ－共振时频率计的读数；f－望远镜物镜焦距（仪器数据）；Δl
k －同一种颜色的衍射条纹间距。

实验数据记录及处理：
（１）测出蓝紫、绿、黄谱线各衍射级的位置
蓝紫光波长：435.8nm 绿光波长：546.1nm 黄光波长：577.0nm
液体名称： 水 频率： MHz 实验室温度：
（２）由表中的数据计算出各谱线的左右各级衍射间距-2
k k
ϕϕ-
（３）计算超声波在水中的波长/k k λϕΛ=，求得波长平均值
Λ= m
（４）计算求得的超声在水中的声速相对百分差（水中的声速公认值为01483/V m s =）
E 100%V V V -=
⨯= ［实验注意事项］
1、超声池置于载物台上必须稳定，在实验过程中应避免震动，以使超声在液槽内形成稳定的驻波。

导线分布电容的变化会对输出电频率有微小影响，因此不能触碰连接超声池和高频信号源的两条导线；
2、锆钛酸铅陶瓷片表面与对应面的玻璃槽壁表面必须平行，此时才会形成较好的表面驻波，因此实验时应将超声池的上盖盖平，而上盖与玻璃槽留有较小的空隙，实验时微微扭动一下上盖，有时也会使衍射效果有所改善；
3、一般共振频率在11.3MHz 左右，WSG-I 超声光栅仪给出10－12MHz 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，最多只有最末尾有1－2个单位数的变动；
4、实验时间不宜过长，其一，声波在液体中的传播与液体温度有关，时间过长，温度可能在小范围内有变动，从而回影响测量精度，一般测量可以待测液体温度同于室温，精密测量可在超声池内插入温度计测量；其二，频率计长时间处于工作状态，会对其性能有一定影响，尤其在高频条件下有可能会使电路过热而损坏，实验时，特别注意不要使频率长时间调在12MHz以上，以免振荡线路过热；
5、在更换液体时必须先关闭信号源否则压电陶瓷会振裂；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。

6、实验完毕应将超声池内被测液体倒出，不要将锆钛酸铅陶瓷片长时间浸泡在液槽内；
思考题：
（1）本实验如何保证平行光束垂直声波方向？
（2）如何解释本实验衍射的中央极大和各级谱线的距离随功率信号源振荡频率的高低变化而增加或减小的现象？
（3）驻波的相邻波腹（或波节）间的距离等于半波长，为什么超声光栅常量在数值上等于超声波的波长？。