超声光栅试验报告

超声光栅实验报告超声光栅实验报告 超声光栅超声光栅实验报告实验报告 一、实验目的与实验仪器一、实验目的与实验仪器 1. 1.实验目的实验目的 （（1 1）了解超声光栅的原理和使用；）了解超声光栅的原理和使用； （（2 2）利用超声光栅声速仪测量超声波在水中）利用超声光栅声速仪测量超声波在水中 的传播速度。的传播速度。 2. 2.实验仪器实验仪器 GSGGSG——1 1 型超声光栅声速仪、型超声光栅声速仪、 超声发生器超声发生器 （工（工 作频率作频率 9~13MHz9~13MHz）） 、换能器、液槽、、换能器、液槽、JJY-1JJY-1’ ’型分型分 光仪（物镜焦距光仪（物镜焦距 f f = = 168mm168mm）） 、测微目镜（测微、测微目镜（测微 范围范围 8mm8mm）） 、放大镜、待测液及光源（钠灯或汞、放大镜、待测液及光源（钠灯或汞 灯）等。灯）等。 二、实验原理二、实验原理 介质受到超声波周期性的扰动，介质受到超声波周期性的扰动， 其折射率也将其折射率也将 发生变化，发生变化，此时光通过这种介质，此时光通过这种介质，就像透过投射就像透过投射 光栅一样，光栅一样，这种现象称为超声致光衍射，这种现象称为超声致光衍射，把这种把这种 载有超声波的透明介质称为超声光栅。载有超声波的透明介质称为超声光栅。 利用超声利用超声 光栅可以计算超声波在透明介质中的速度。光栅可以计算超声波在透明介质中的速度。 设超声波在液体中以平面波形式沿设超声波在液体中以平面波形式沿 x x 方向，方向， 在在 x x 方向液体中波的形式如下：方向液体中波的形式如下： y y1 1 = A = Am mcos[2π cos[2π· ·( ()] )] 式中，式中，y y1 1为偏离平衡位置的位移量；为偏离平衡位置的位移量；A Am m 为振幅，为振幅， TsTs为超声波周期，为超声波周期，λsλs 为超声波波长。为超声波波长。 若在垂直若在垂直 x x 方向有一反射平面，方向有一反射平面， 则超声波被平则超声波被平 面反射后沿面反射后沿 x x 反方向传播，有如下方程：反方向传播，有如下方程： y y2 2 = A = Am mcos[2π cos[2π· ·( ()] )] 当正反两方向的平面波叠加形成驻波时，当正反两方向的平面波叠加形成驻波时， 平衡平衡 位置的偏移量为位置的偏移量为 y = yy = y1 1+y+y2 2 = 2A = 2Am mcos2π cos2π cos2πcos2π 超声波形成驻波时，超声波形成驻波时， 压缩作用使节点处折射率压缩作用使节点处折射率 增大，增大，稀疏作用使远离节点处折射率变小，稀疏作用使远离节点处折射率变小，这样这样 液体折射率就出现周期性变化，液体折射率就出现周期性变化， 平行光沿着与超平行光沿着与超 声波传播方向呈一定夹角的方向通过时会被衍声波传播方向呈一定夹角的方向通过时会被衍 射。由光栅方程可知：射。由光栅方程可知： A Asinφsinφk k= kλ= kλ 式中，式中，k k 为衍射级次，为衍射级次，φ φk k为为 k k 级衍射角。级衍射角。 超声光栅光路图如下所示：超声光栅光路图如下所示： 在右侧望远镜中可观察到衍射条纹。在右侧望远镜中可观察到衍射条纹。 从上图中从上图中 几何关系可知：几何关系可知： tanφtanφk k = = 当当φφk k 很小时，有很小时，有 sinφsinφk k = = 式中，式中，lklk 为零级衍射到为零级衍射到 k k 级衍射之间的距离，级衍射之间的距离，f f 为透镜焦距，则超声波波长为为透镜焦距，则超声波波长为 A =A == = 超声波在液体中传播速度为超声波在液体中传播速度为 v = Aνv = Aν= =·ν ·ν = = 式中，式中，νν是换能器共振频率，是换能器共振频率，为同一波长光为同一波长光 相邻衍射级别衍射条纹间距。相邻衍射级别衍射条纹间距。 三、实验步骤三、实验步骤 （（1 1）分光计的调整：用自准直法使望远镜聚焦）分光计的调整：用自准直法使望远镜聚焦 于无穷远，于无穷远， 望远镜的光轴与分光计的转轴中心垂望远镜的光轴与分光计的转轴中心垂 直，直，平行光管与望远镜同轴并出射平行光，平行光管与望远镜同轴并出射平行光，调节调节 望远镜使观察到的狭缝清晰；望远镜使观察到的狭缝清晰； （（2 2）将待测液体注入超声池，液面高度以液体）将待测液体注入超声池，液面高度以液体 槽侧面的液体高度刻线为准；槽侧面的液体高度刻线为准； （（3 3））将超声池放置于分光计的载物台上，将超声池放置于分光计的载物台上， 使超使超 声池两侧表面基本垂直于望远镜和平行光管的声池两侧表面基本垂直于望远镜和平行光管的 光轴；光轴； （（4 4）两支高频连接线的一端插入超声池盖板接）两支高频连接线的一端插入超声池盖板接 线柱，线柱，另一端接入超声信号源的高频输出端，另一端接入超声信号源的高频输出端，然然 后将液体槽盖板盖在液体槽上；后将液体槽盖板盖在液体槽上； （（5 5）开启超声信号源电源，从阿贝目镜观察衍）开启超声信号源电源，从阿贝目镜观察衍 射条纹，射条纹， 细微调节电振荡频率与锆钛酸铅陶瓷片细微调节电振荡频率与锆钛酸铅陶瓷片 固有频率共振，固有频率共振，此时，此时，衍射光谱的级次会显著增衍射光谱的级次会显著增 多且更为明亮，仔细调节，可观察到左右各多且更为明亮，仔细调节，可观察到左右各3 3 －－4 4 级以上的衍射光谱；级以上的衍射光谱； （（6 6）取下阿贝目镜，换上测微目镜，调焦目镜，）取下阿贝目镜，换上测微目镜，调焦目镜， 使清晰观察到的衍射条纹。使清晰观察到的衍射条纹。 利用测微目镜逐级测利用测微目镜逐级测 量其位置读数并记录。量其位置读数并记录。 四、数据处理四、数据处理 1. 1.数据记录数据记录 条纹位置度数（单位：条纹位置度数（单位：mmmm）） 级级 次次 光色光色 蓝蓝 1.8781.878 2.4802.480 3.1053.105 3.6803.680 4.2704.270 4.8364.836 5.5365.536 绿绿 1.4051.405 2.1672.167 2.9452.945 3.6803.680 4.4594.459 5.2055.205 5.9625.962 黄黄 1.2821.282 2.0702.070 2.8802.880 3.6803.680 4.5354.535 5.3265.326 6.1436.143 -3-3-2-2-1-10 01 12 23 3 换能器共振频率：换能器共振频率：νν= 9.579MHz= 9.579MHz 2. 2.逐差法求条纹间距逐差法求条纹间距 蓝光：蓝光： = == 0.598= 0.598（（mmmm）） 绿光：绿光： = == 0.759= 0.759（（mmmm）） 黄光：黄光： = == 0.814= 0.814（（mmmm）） 3. 3.计算超声波在酒精中速度计算超声波在酒精中速度 利用蓝光计算：利用蓝光计算： v v1 1= == == 1172.8= 1172.8 （（m/sm/s）） 利用绿光计算：利用绿光计算