用超声光栅测液体中的声速.pptx

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1、会计学1用超声光栅测液体中的声速用超声光栅测液体中的声速 实验原理实验原理实验原理实验原理 1 1 超声波产生原理超声波产生原理 利用压电体的逆压电效应发生机械振动产生超声波。压电体在交变电场的作用下发生周期性的压缩和伸长，当外加交变电场的频率与压电体的固有频率相同时振幅最大。这种振动在媒质中传播就得到超声波。第1页/共12页2 2 超声光栅形成原理超声光栅形成原理超声光栅形成原理超声光栅形成原理 超超声声波波纵纵波波在在盛盛有有液液体体的的玻玻璃璃槽槽中中传传播播时时，液液体体被被周周期期性性地地压压缩缩与与膨膨胀胀，其其密密度度会会发发生生周周期期性性的的变变化化，形形成成疏疏密密波波。稀

2、稀疏疏作作用用会会使使液液体体密密度度减减小小、折折射射率率减减小小。压压缩缩作作用用会会使使液液体体密密度度增增大大、折折射射率率增增大大，因因此此液液体体密密度度的的周周期期变变化化，导导致致其其折折射射率率也也呈呈周周期期变变化化。若若超超声声行行波波以以平平面波的形式沿面波的形式沿X X轴正方向传播时，波动方程可描述为轴正方向传播时，波动方程可描述为 式式中中y y代代表表各各质质点点沿沿x x方方向向偏偏离离平平衡衡位位置置的的位位移移，A Amm表表示示质质点点的的最最大大位位移移量量，T Ts s为为超超声声波波的的周周期期，s s为为超超声声波波的的波波长长。图图一一给给出出了

3、了某某时时刻刻液液体体内内传传播播的的超超声声波波形形（为为表表示示方方便便，图中质点沿图中质点沿x x方向的位移表示到竖直方向上了）。方向的位移表示到竖直方向上了）。第2页/共12页反射板反射板图1超声驻波形成示意图第3页/共12页如果超声波被液槽的一个垂直于x轴的平面反射，又会反向传播，当反射平面距波源为波长四分之一的奇数倍时，入射波与反射波分别为两者叠加得第4页/共12页该式说明叠加的结果形成了驻波：沿x方向各点的振幅为 ，是x的函数，随x呈周期性的变化（波长s），但不随时间变化，位相是时间的函数，但不随空间变化。某时刻，纵驻波的任一波节两边的质点都涌向这个节点，使该节点附近成为质点密集

4、区，而相邻的波节处为质点稀疏区，半个周期后，这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。由于驻波的振幅可以达到单一行波的二倍，加剧了波源和反射面之间液体的疏密变化程度。液槽内距离等于波长s的任何两点处，液体的密度相同，折射率也相同。因此，有超声波传播的液体相当于一个位相光栅，称为“超声光栅”。第5页/共12页3利用超声光栅衍射测量液体中的声速当平行光沿着垂直于超声波传播方向通过液体时，由于光速远大于液体的声速，可以认为光波的一波阵面通过液体的过程中液体中的疏密及其折射率的周期变化情况没有明显改变，相对稳定。这时，因折射率的周期变化将使光波通过液体后在原先的波阵面上产生了相应

5、的周期变化的位相差，（在光栅测波长实验中，是由于平行光通过光栅后产生了光程差）。在某特定方向上出射光会相干加强，产生衍射，经过透镜聚焦，即可在焦平面上观察到衍射条纹。当液槽中传播的超声波被液槽的一个玻璃面反射，在一定条件下形成超声频率的纵向振动驻波时，可加剧液体的疏密变化程度，使衍射现象加强。超声波波长s即相当于光栅常数，根据光栅方程可得第6页/共12页SL1L2PZTdkf图2测液体中的声速实验装置示意图第7页/共12页ssink=k（k=0，1，2，）式中k为k级衍射光的衍射角，为光波波长。当k角很小时，可近似有sink=dk/f其中dk为衍射光谱上零级至k级的距离，f为透镜L2的焦距，而

6、且各级衍射线是等间距分布的。则超声波波长为液槽中传播的超声波的频率fs可由超声光栅仪上的频率计读出，则超声波在液体中传播的速度为 由此利用超声波光栅衍射可以测量液体中的声速。v=S fS 第8页/共12页实验步骤实验步骤1、激光从狭缝出射，调整透镜的位置，使屏上成一个清晰的狭缝的像。2、将酒精倒入超声腔内,用导线连接压电陶瓷晶片与信号源，开启信号源，调到合适的频率范围（10MHZ档）。3、开启超声信号源电源，给压电陶瓷PZT上加震荡电压，从测微目镜观察衍射条纹，调节频率微调，使电振荡频率与锆酞酸铅陶瓷片固有频率共振，（选用的压电陶瓷共振频率在3MHz左右），这时可从目镜中观察到稳定而清晰的左右

7、各三级左右的衍射谱线。4、用测微目镜测量各级衍射条纹的位置（左右各三级），利用逐差法求出谱线平均间距d。5、记录超声波频率。6、记录液体温度（粗略认为液体温度与室温相同）。第9页/共12页数据记录表格数据记录表格数据记录表格数据记录表格 实验室温度实验室温度实验室温度实验室温度 CCCC测微目镜衍射条纹位置读数（测微目镜衍射条纹位置读数（mmmm）级n-4-3-2-10123412第10页/共12页思考题思考题n n1.1.为什么超生腔内形成的是纵驻波？为什么超生腔内形成的是纵驻波？n n2.2.本实验如何保证平行光束垂直于声波的方向？本实验如何保证平行光束垂直于声波的方向？n n3.3.驻波波节之间距离为半个波长，为什么超声光栅的光栅常数等驻波波节之间距离为半个波长，为什么超声光栅的光栅常数等于超声波的波长？于超声波的波长？n n4.4.实验时可以发现，当超声频率升高时，衍射条纹间距加大，反实验时可以发现，当超声频率升高时，衍射条纹间距加大，反之则减小，这是为什么？之则减小，这是为什么？n n5.5.如果液体换为水衍射条纹会如何变化？如果液体换为水衍射条纹会如何变化？第11页/共12页