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用超声光栅测定液体中的声速 物理实验中心　

实验背景 超声波是频率高于20000赫兹的声波，它方向性好，穿透能力强，易于获得较集中的声能，在水中传播距离远，可用于测距、测速、清洗、焊接、碎石、杀菌消毒等。在医学、军事、工业、农业上有很多的应用。

声速的测量方法有驻波法、行波法和位相法等。声速的测量方法有驻波法、行波法和位相法等。波的重要参数频率v，波长Λ，波速为 υ=Λv 拉曼（Raman）布里渊（L·Brillouin） 1922年布里渊（L·Brillouin）曾预言，当高频声波在液体中传播时，如果有可见光通过该液体，可见光将产生衍射效应。这一预言在10年后被验证，这一现象被称作声光效应。1935年，拉曼（Raman）和奈斯（Nath）对这一效应进行研究发现，在一定条件下，声光效应的衍射光强分布类似于普通的光栅，所以也称为液体中的超声光栅。

目的及要求 • 了解超声波发生器的结构和超声波形成光栅的原理。 • 利用声光效应(超声光栅)测定液体中的声速的方法。

实验原理 1.光栅及光栅常数狭义的定义：大量的平行等宽等间距的狭缝。广义的定义：可以使入射光的振幅或相位（或两者同时）受到周期性空间调制的光学元件。不一定多缝结构才是光栅，折射率的周期性变化也能形成光栅。 d d d

l n nmax x nmin d 折射率光栅

2. 超声波的产生 压电材料超声波发生器的结构。 PZT（锆钛酸铅）晶片，一种能够将机械能和电能互相转换的功能陶瓷材料，属于无机非金属材料。将具有PZT晶片置于电场中，电场的作用会引起晶片内部正负电荷中心产生相对位移，而这一位移又导致晶片发生形变，晶片形变的大小与外加电场强度成正比，当电场反向时，形变也改变符号。外加正弦交流电时，晶片也做相应的振动。当外加交变电场的频率与压电材料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。

外接信号源 PZT晶片酒精 V

3. 超声波的传播及超声光栅的形成 波前 Λ d 酒精分子 nmax n nmin x

4.超声驻波形成光栅的原理 x d d

超声波是一种纵向机械应力波。当一束波长为，周期为T 的平面正弦超声波在盛有液体的玻璃槽中传播时，波前进路径上的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。液体对光的折射率与液体的密度有关，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。这样就形成了一种折射率周期性变化的光栅结构。但行波不够稳定，振幅也不够强，如果能够形成驻波，不仅波形相对稳定，还可加剧液体的疏密变化程度。在超声波前进的方向上放置一个表面光滑且与超声波波阵面平行的反射板，那么到达反射板表面的超声波将反射而沿反方向传播。在一定条件下，前进波与反射波叠加而形成驻波。某时刻t，驻波的任一波节两边的质点都涌向这个节点，使该节点成为质点密集区，而相邻的波节处为质点稀疏区；半个周期（t+T/2）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。随着液体密度的周期性变化，折射率也呈周期性变化，于是当一束光沿垂直于超声波传播的方向通过液体时, 光就像通过一个透射光栅那样产生衍射现象。这种由超声驻波在液体中传播形成的液体光栅被称为超声光栅。玻璃槽被称为超声腔。

5.超声光栅测定酒精中声速的原理 Dk laser λ L 屏超声光栅 S A

仪器介绍 数字显示高频功率信号源、内装压电陶瓷片PZT的液槽、激光器、狭缝、测微目镜、液体（酒精）、毛玻璃、光学导轨、光具座及相应支架、凸透镜。测微目镜是带测微装置的目镜，可作为测微显微镜和测微望远镜等仪器的部件，在光学实验中有时也作为一个测长仪器独立使用（例如测量非定域干涉条纹的间距）。其原理与千分尺相同。鼓轮转动时通过传动螺旋推动叉丝玻片移动；鼓轮反转时，叉丝玻片因受弹簧恢复力作用而反向移动。有100个分格的鼓轮每转一周，叉丝移动1mm，所以鼓轮上的最小刻度为0.01mm。

操作方法与技巧 1、激光从狭缝出射，调整狭缝、透镜和超声腔，使它们同轴等高。前后移动透镜，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，从屏上观察衍射条纹，调节频率微调，使电振荡频率与锆钛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），这时可观察到稳定而清晰的左右各多级的衍射条纹。微调信号源频率及超声腔反射板位置，使衍射谱线条纹达到最多。记下此时信号源的频率，并不得再移动超声腔。测量超声腔到屏的距离。 4、将屏换成测微目镜，使衍射光通过目镜。在光源前加上毛玻璃，用眼观察衍射条纹。前后轻微移动测微目镜，观察到清晰的条纹。测量各级衍射条纹的位置，求出条纹的平均间距。 5、计算声速。

数据处理 表1 数据记录表液体名称______,激光波长______,超声频率_______

分析与思考 1、为什么超声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？ 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于超声波的波长？ 4、如果液体换为水，衍射条纹会如何变化？

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