超声光栅测速实验

用超声光栅测定液体中的声速一、实验目的（1）学习声光学实验的设计思想及其基本的观测方法。

（2）测定超声波在液体中的传播速度。

（3）了解超声波的产生方法。

二、仪器用具分光计，超声光栅盒，高频振荡器，数字频率计，纳米灯。

三、实验原理将某些材料（如石英、铌酸锂或锆钛酸铅陶瓷等）的晶体沿一定方向切割成晶片，在其表面上加以交流电压，在交变电场作用下，晶片会产生与外加电压频率相同的机械振动，这种特性称为晶体的反压电效应。

把具有反压电效应的晶片置于液体介质中，当晶片上加的交变电压频率等于晶片的固有频率时，晶片的振动会向周围介质传播出去，就得到了最强的超声波。

超声波在液体介质中以纵波的形式传播，其声压使液体分子呈现疏密相同的周期性分布，形成所谓疏密波，如图1a)所示。

由于折射率与密度有关，因此液体的折射率也呈周性变化。

若用N0表示介质的平均折射率，t时刻折射率的空间分布为式中ΔN是折射率的变化幅度；ωs是超声波的波角频率；Ks是超声波的波数，它与超声波波长λs的关系为Ks=2π/λs。

图1b是某一时刻折射率的分布，这种分布状态将随时以超声波的速度vs向前推进。

如果在超声波前进的方向上垂直放置一表面光滑的金属反射器，那么，到达反射器表面的超声波将被反射而沿反向传播。

适当调节反射器与波源之间的距离则可获得一共振驻波（纵驻波）。

设前进波与反射波分别沿y轴正方向传播，它们的表达式为其合成波为此式就是驻波的表达式。

其中表示合成以后液体媒质中各点都在各自的平衡位置附近作同周期的简谐振动，但各点的振动为，即振幅与位置y有关，振幅最大发生在处，对应的（n=0，1，2，3……）这些点称为驻波的波幅，波幅处的振幅为2A，相邻波幅间距离为。

振幅最小发生在处，其中，这些点称为波节，如图2中a、b、c、d为节点，相邻波节间的距离也为。

可见，驻波的波腹与波节的位置是固定的，不随时间变化。

对于驻波的任意一点a，在某一时刻t=0时，它两边的质点都涌向节点，使节点附近成为质点密集区；半周期后，节点两边的质点又向左右散开，使波节附近成为稀疏区。

超声光栅测液体声速【实验目的】1.理解超声光栅形成的原因，了解声光作用的原理。

2.调整光路，用超声光栅声速仪测量声波在液体中的传播速度。

【实验原理】一、超声光栅及其成像特点任何能对入射光相位、振幅给与周期性空间调制的装置，都可称为光栅。

载有超声波的液体（本实验是液体槽）具有上述作用，所以称为超声光栅，其光栅常数等于超声波波长。

当压电晶体被信号发生器激励产生超声波时，适当调节压电晶体与反射板之间的平行度，使槽内形成驻波。

这时如果用具有一定扩散角度的线光源垂直于声波方向照射透明液槽，在液槽的另一侧成像装置上可以观察到光线被超声驻波调制而产生的明暗相间的条纹，这是超声波驻波的自身放大像，即超声光栅的自身影像，其条纹间距对应于超声波的半波长。

二、测量基本原理当我们用点光源（球面波）照射超声光栅时，类似投影幻灯形式可看到被放大的超声光栅自身像，即超声驻波像。

由于超声波频率可由频率计测得，其波长可由驻波像的间隔测得，根据关系式v=L/Y（1）可得到超声波在该介质中的传播速度值，这种利用超声光栅测声速的方法，通常称为振幅栅法。

测定波长的方法及特点1. 振幅栅法（超声光栅驻波像法）在声波传播方向上利用测微装置测量液槽的移动，此时显示器上驻波的放大像也随着移动，利用显示屏上的十字标记，记录移过标记的条纹数。

如果液槽移动距离为L（利用数显卡尺测定），已过标记的条纹数为N,则待测液体的声波波长为（2）由公式（1）和（2）得到最后测量公式（3）2.干涉法、相位法（见空气声速测定实验介绍）【实验装置】1.载有超声波的透明液槽，透明液槽内装有产生超声振动的压电晶体。

2.稳频超声波信号源：1.710MHz。

3.微小平行移动距离的测微装置。

4.前置狭缝及光源。

5.观察超声驻波像的成像装置：CCD摄像镜头和显示器等。

A：超声波信号源 F：图像显示器 E：CCD摄像镜头 G：微小平移测微装置H：压电传感器 I：透明液体 J：前置狭缝及光源图2 实验装置图【实验步骤】1.把液槽放在测微测量装置上，装满待测透明液体，使超声波传播方向与测微装置移动方向一致。

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。