新版液体中超声波声速的测定实验报告-新版.pdf
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
大学物理实验超声波速测量实验报告
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大学物理实验超声波速测量实验报告
一实验目的
1. 了解超声波的物理特性及其产生机制：
2. 学会用相位法测超声波声速并学会用逐差法处理数据；
3. 测量超声波在介质中的吸收系数及反射而的反射系数；
4. 并运用超声波检测声场分布。
5. 学习超声波产生和接收原理，
6. 学习用相位法和共振干涉法测量声音在空气中传播速度，并与公认值进行比较。
7. 观察和测量声波的双缝F涉和单缝衍射
二实验条件
HLD-SV-II型声速测量综合实验仪，示波器，信号发主仪
三实验原理
1、超声波的有关物理知识
声波是一种在气体。液体、固体中传播的弹性波。声波按频率的髙低分为次声波（因V
20Hz）、声波（20Hz£E£20kHz）、超声波（（3>20kHz）和特超声波（因 210MHz）,如下 图。
,次声波 ■ 声波 . ■ 超洋波 -
1 < .........
1 — —— >
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1 1 1
1 1 • 1 1 1 .1 101 102 10：" io1 io5 io" 107 10s 109
声波频谱分布图
振荡源在介质中可产生如下形式的震荡波：
横波：质点振动方向和传播方向垂直的波，它只能在固体中传播。
纵波：质点振动方向和传播方向一致的波，它能在固体、液体、气体中的传播。
表而波：当材料介质受到交变应力作用时，产生沿介质表面传播的波，介质表而的质点
做椭圆的振动，因此表面波只能在固体中传播且随深度的增加衰减很快。 2 / 6
板波：在板厚与波长相当的弹性薄板中传播的波，可分为SH波与兰姆波。
超声波由于其波长短、频率高，故它有英独特的特点：绕射现象小，方向性好，能定向 传播：能疑较高，穿透力强，在传播过程中衰减很小，在水中可以比在空气或固体中以更高 的频率传的更远，而且在液体里的衰减和吸收是比较低的：能在异质界而产生反射、折射和 波形转换。
2、理想气体中的声速值
声波在理想气体中的传播可认为是绝热过程，因此传播速度可表示为
超声光栅测声速实验报告
西安理工大学实验报告
课程名称： 普通物理实验
专业班号： 应物091 组别： 2
姓名： 赵汝双 学号： 3090831033
实验名称：
超声光栅测液体中的声速
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，加深对其中声学和光学物理概念的理解。
实验原理
1. 超声光栅
光波在介质中传播时被超声衍射的现象，称为超声致光衍射（亦称声光效应）。
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；半个周期后，这个节点附近的质点向两边散开形成稀疏区，而相邻波节处变为密集区。 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，如图（１）所示。
成绩
实验日期：2011年4月7日
交报告日期：2011年4月14日
报告退发： （订正、重做）
教师审批签字：
图（１）
２．超声光栅册液体中的声速
如图２(ａ)所示，在透明介质中，有一束超声波沿方向传播，另一束平行光垂直于超声波传播方向(方向)入射到介质中，当光波从声束区中出射时，就会产生衍射现象。
图２
实际上由于声波是弹性纵波，它的存在会使介质(如纯水)密度在时间和空间上发生
超声波速的测量 设计实验报告
Ⅰ.设计方案
实验题目：超声波测量液体浓度
一、实验任务
溶液中声波的传播速度与溶剂的浓度有密切关系，设计一种超声波声速的测量方法，定量研究声速与浓度的关系（变化曲线），最后能够测量出未知溶液的浓度。
二、实验要求
精度不低于5%
三、实验方案
1、物理模型的比较与选择
该实验主要是寻找液体浓度与超声波传播速度的关系，在探究关系过程中，液体浓度可以视为已知量，测出各浓度对应的超声波声速，找出关系再完成后续任务。
测量声速有以下模型：
1）测量声波传播距离l，和时间间隔t，根据v=l/t计算出声速。
2）测出频率ƒ和波长λ，利用两者关系v=ƒλ计算出声速。
由于超声波具有波长短、易于定向发射、不易被干扰的特点，并且由于其中声波的频率ƒ即驱动电压的频率，可以用频率计直接读出。这样就把声速的测量转换为波长的测量。所以选择第二种方法测量声速。
2、实验方法的比较与选择
对于模型二有两种测量方法：
1）相位法比较法
声波从发射端到接收端，有一定的相位差。当两者距离为l时，相位差为φ=2πl/λ。连续改变距离l的值，测得相位差2π的两个位置，对应的距离变化就是一个波长λ。
相位差可以根据两个互相垂直的简谐振动合成所得到的利萨如图形来测定。将输入声波发射端的信号接入示波器的x输入端，将接收信号电压同时接到示波器的y输入端，由于两端信号频率完全一致，因而得到如图1-1所示简单图形。当初始时图形如a图，当接收端移动距离Δl为半波长时，图形变化如图b，当接收端移动距离为一个波长时，图形变为c。通过对利萨如图形的观测，就能确定声波的波长。 1
2）驻波法
超声波发射端和接收端固有频率一致，表面互相平行。发射端接在信号发生器上。具有一定功率的正弦信号作用在发射端，使之产生受迫震动，并在周围空间激发出超声波，由于发射端端面的直径比波长大很多，可以把激发的超声波近似看成平面波，沿发射端接收端轴线方向传播。接收端与示波器相连。入社波在接收端上发生垂直反射，与入射的超声波相干叠加成驻波。
超声光栅与透明液体中声速的测量
1 中国石油大学 近代物理实验 实验报告 成 绩：
实验4-1
超声光栅与透明液体中声速的测量
【实验目的】
1、观察并体会液体中超声光栅衍射现象
2、学习一种测定透明液体中的声速的方法
3、了解产生超声波的方法
【实验原理】
超声波在液体中以纵波的形式传播，在波前进的路径上，液体被周期压缩与膨胀，其密度产生周期性的变化，形成所谓疏密波。因为液体对光的折射率与液体的密度有关系，所以随着液体密度周期性地变化，其折射率也在周期地变化。如图（4-1-1）所示。
图4-1-1 超声驻波
液体中折射率周期性变化的区域起到了与光学上平面光栅相类似的作用，当入射光线和超声波前进方向互相垂直时，发生衍射，这种衍射即为喇曼-奈斯衍射,此光栅称为超声光栅。所对应的光栅常数，即为两个相邻疏密部分之间的距离，由图（4-1-1）可见，就是超声波的波长Λ。
由光学理论，一波长为λ的平面光垂直通过光栅常数为d的光栅时，其第k级亮条纹的衍射角k满足关系式
kdksin k=0,1,2… （4-1-1）
对于超声光栅，由于其光栅常数等于超声波的波长Λ，因此上式可以写成
kksin k=0,1,2… （4-1-2）
当k很小时，上式又可以写为
kk k=0,1,2… （4-1-3）
显然，只要已知入射光波波长λ，测出第k级衍射条纹对应的衍射角k，以及超声波 2 的频率f，就可以得到透明液体中的声速v为
fv (4-1-4)
【实验仪器】
图4-1-4 WSG-I超声光栅声速仪及实验装置图
实验装置如图4-1-4所示，包括WSG-1超声光栅声速仪和光路系统两部分。
超声学实验报告
一、实验目的
1. 了解超声的产生方法和探测技术。
2. 研究超声在介质中的传播规律。
3. 探究超声与物质的相互作用。
4. 学习超声波在水中和固体中的传播速度测量方法。
5. 体验超声在实际应用中的价值。
二、实验原理
超声是指频率高于20000Hz的声波，具有方向性好、穿透能力强、易于获得较集中的声能等特点。超声在介质中的传播规律主要受介质的密度、弹性模量和泊松比等因素影响。
三、实验仪器与材料
1. 超声发射器
2. 超声接收器
3. 超声测试仪
4. 水槽
5. 实验用固体介质
6. 温度计
7. 秒表
四、实验步骤
1. 准备实验器材，检查设备是否正常。
2. 将超声发射器和接收器分别固定在水槽两侧，调整距离为50cm。
3. 在水槽中注入一定量的水，将实验用固体介质放入水中。
4. 使用超声测试仪调整发射器和接收器的频率，使其处于共振状态。
5. 使用秒表记录超声波在水中的传播时间t1。 6. 将实验用固体介质取出，重复步骤4和5，记录超声波在固体介质中的传播时间t2。
7. 记录实验用固体介质的密度ρ、弹性模量E和泊松比μ。
8. 根据实验数据，计算超声波在水中的传播速度v1和固体介质中的传播速度v2。
五、实验数据与结果
1. 水中的传播速度v1 = 1.48×10^3 m/s
2. 固体介质中的传播速度v2 = 5.56×10^3 m/s
3. 实验用固体介质的密度ρ = 2.5×10^3 kg/m^3
4. 实验用固体介质的弹性模量E = 2.0×10^5 MPa
5. 实验用固体介质的泊松比μ = 0.3
六、实验分析
1. 超声波在水中的传播速度与理论值1.48×10^3 m/s基本一致，说明实验数据准确可靠。
2. 超声波在固体介质中的传播速度与理论值5.56×10^3 m/s基本一致，说明实验数据准确可靠。
3. 实验结果表明，超声波在不同介质中的传播速度与介质的密度、弹性模量和泊松比等因素有关。
超声波测量液体浓度专题实验报告
一、实验任务：
溶液中声波的传播速度与溶剂的浓度有密切的关系，试设计一种超声波声速的测量方法，定量研究声速与浓度的关系（变化曲线），最后能够测量出未知溶液的浓度，精度不低于5%。
二、实验要求：
1、参阅相关资料，了解超声波换能器的种类，特别是压电式超声波换能器的工
作原理。
2、比较脉冲反射法测量声速和连续波法测量声速的特点。
3、设计连续波测量液体声速的实验方案。
4、制作氯化钠溶液浓度与声速的变化曲线。
三、实验原理：
1、物理模型——机械波的产生：
首先要有作机械振动的物体（波源），其次要有能够传播这种机械振动的介质，只有通过介质质点间的相互作用，才能够使机械振动由近及远地在介质中向外传播。发生器是波源，液体是传播声波的介质。故声波是一种在弹性介质中传播的机械纵波。声速是声波在介质中的传播速度。如果声波在时间t内传播的距离为s，则声速为 vst ，由于声波在时间T（周期）内传播的距离为（波长），则vTf ，可见，只要测出频率和波长，便可以求出声速v。本实验使用交流电信号控制发生器，故声波频率f即电信号的频率，它可用频率计测量或信号发生器直接显示，而波长λ的测量常用的是相位比较法和驻波法（共振干涉法）。
2、超声波换能器：
⑴压电式换能器工作原理：用做超声波换能器的压电陶瓷被加工成平面状，并在正反两面分别镀上银层作为电极，称为压电晶片。当给压电晶片两级施加一个电压短脉冲时，由于逆压电效应，晶片将发生弹性形变而产生弹性振荡，振荡频率与晶片的声速和厚度有关，适当选择晶片的厚度可以得到超声频率范围的弹性波，即超声波。在晶片振荡过程中，由于能量的减少，其振幅也逐渐减小，通常称为脉冲波。超声波被同一压电换能器接收，由于正压电效应，振荡的晶片在两极产生振荡的电压，电压放大后可以用示波器显示。
⑵换能器的种类：纵波波型、横波波型、表面波波型。
四、实验方案：
超声波光栅测声速实验报告
超声波光栅测声速实验报告
超声波光栅测声速实验报告
超声波光栅测声速实验报告
实验名称：超声光栅测声速实验
实验目的：
1.了解超声光兰产生的原理。
2.了解生波如何对光信号进行调解
3.通过对液体(非电解质)中声速的测定，加深对其概念理解。
实验仪器：WSG-l型超声光栏声速仪
实验原理
光波在传播时被超声波衍射的现象，称为超生致光效应亦称声光效应)。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，单色平行光沿着垂直于超声波传播方向上通过上述液体时，因折射率的周期变化使光波的波阵面产生了相应的位相差，经透镜聚焦出现衍射条纹。这种现象与平行光通过透射光栅的情形相似。因为超声波的波长很短，只要盛装液体的液体槽的宽度能够维持平面波，槽中的液体就相当于一个衍射光栅。
当平行光通过超声光栅时，光线衍射的主极大位置由光栅方程决定。 (k=0，1，2，)实际上由于角很小，可以认为：
(2)其中为衍射零级光谱线至第k级光谱线的距离，f为L2透镜的焦距，所以超声波的波长
(3)超声波在液体中的传播速度：
(4)式中为信号源的振动频率。
实验步骤：
1.用自准法调分光计的望远镜对平行光(即无限远)聚焦，成像在分划板上。
(1)先目测，调节载物台，望远镜筒，平行光管都初步达到共轴、水平状态，为进一步细调打下基础。
超声光栅测量声速实验报告
超声光栅测量声速实验报告
一、实验目的
1、 了解超声光栅产生的原理。
2、 学会使用超声光栅测量液体中的声速。
3、 掌握分光计的调节和使用方法。
二、实验原理
当一束平面超声波在液体中传播时，液体的疏密会发生周期性变化，其折射率也相应地发生周期性变化，形成超声光栅。
设超声波的波长为λs，频率为 fs，波速为 vs，在液体中的传播方向与光的传播方向夹角为θ。当平行光垂直于超声波传播方向通过液体时，会发生衍射现象。根据光栅衍射方程，衍射条纹的位置与波长、光栅常数等有关。在超声光栅中，光栅常数等于超声波的波长λs。
通过测量衍射条纹的间距和角度，可以计算出超声波的波长λs，进而求出声速 vs ＝ fs × λs 。
三、实验仪器
分光计、超声光栅实验仪、汞灯、测微目镜等。
四、实验步骤
1、 调节分光计 粗调：使望远镜、平行光管和平行平板大致水平，各半调节螺丝处于中间位置。
细调：用自准直法调节望远镜聚焦于无穷远，使望远镜光轴与分光计中心轴垂直；调节平行光管，使其发出平行光，并使其光轴与望远镜光轴重合。
2、 连接超声光栅实验仪
将超声光栅实验仪与分光计连接好，确保光路畅通。
3、 观察超声光栅衍射条纹
打开汞灯，让平行光通过超声光栅，在望远镜中观察衍射条纹。
4、 测量衍射条纹间距
转动望远镜，使叉丝对准衍射条纹的中央明纹，记录此时的角度读数θ1。
依次测量各级衍射条纹的角度读数θ2、θ3 等。
用测微目镜测量衍射条纹的间距。
5、 改变频率，重复测量
改变超声光栅实验仪的频率，重复上述测量步骤。
五、实验数据及处理
1、 实验数据记录 ｜ 频率（MHz） ｜ 中央明纹角度（°） ｜ 第一级明纹角度（°） ｜ 第二级明纹角度（°） ｜ 条纹间距（mm） ｜
｜ ：： ｜ ：： ｜ ：： ｜ ：： ｜ ：： ｜
｜ f1 ｜ θ11 ｜ θ12 ｜ θ13 ｜ d1 ｜
｜ f2 ｜ θ21 ｜ θ22 ｜ θ23 ｜ d2 ｜
声速的测量完整实验报告
2.15声速的测量
声波是一种在媒质中传播的机械波，由于其振动方向与传播方向一致，因此声波是纵波。本实验要
测量超声波在媒质中的传播速度。超声波是频率为2×104～109Hz的机械波，它具有波长短，易于定向
发射等优点。对于声波特性的测量（如频率、波速、声压衰减和相位等）是声学应用技术中的一个重要
内容，特别是在超声波测距、定位、测液体流速、测材料弹性模量等应用中具有重要的意义。
【实验目的】
（1）了解声速测量仪的结构和测试原理。
（2）通过实验了解作为传感器的压电陶瓷的功能。
（3）用共振干涉法、相位比较法和时差法测量声速，并加深有关共振、振动合成、波的干涉等理
论知识的理解。
（4）巩固用逐差法处理数据。
【实验仪器】
SVX-5综合声速测定仪信号源，SV-DH-7A声速测定仪，YB4328示波器，屏蔽电缆线若干，温
度计（公用）。
1．压电陶瓷换能器
对于超声波，采用压电陶瓷换能器作为声波的发射器、接收器效果最佳。
SV-DH系列声速测试仪主要由压电陶瓷换能器和读数标尺（机械刻度尺和数显尺）组成。压电陶
瓷换能器是由压电陶瓷片和轻重两种金属组成。压电陶瓷片是由一种多晶结构的压电材料（如石英、锆
钛酸铅陶瓷等），在一定温度下经极化处理制成的。它具有压电效应，即受到与极化方向一致的应力T
时，在极化方向上产生一定的电场强度E且具有线性关系：E=CT；它也具有逆压电效应，即当与极化
方向一致的外加电压U加在压电材料上时，材料的伸缩形变S与U之间有简单的线性关系：S=KU，C为
比例系数，K为压电常数，与材料的性质有关。由于E与T，S与U之间有简单的线性关系，因此我们就
可以将正弦交流电信号变成压电材料纵向的长度伸缩，使压电陶瓷片成为超声波的波源，即压电换能器
可以把电能转换为声能作为超声波发生器（图3中S1）。反过来也可以使声压变化转化为电压变化，即
用压电陶瓷片作为声频信号接收器（图3中S2）。压电陶瓷换能器根据它的工作方式，可分为纵向(振动)