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液体中超声波声速的测定实验报告

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液体中超声波声速的测定
人耳能听到的声波，其频率在16Hz到20kHz范围内。超过20Hz的机械波称为超声波。
光通过受超声波扰动的介质时会发生衍射现象，这种现象称为声光效应。利用声光效应测量
超声波在液体中传播速度是声光学领域具有代表性的实验。

一、 实验目的
1． 了解超声波的产生方法及超声光栅的原理
2． 测定超声波在液体中的传播速度

二、 实验仪器
分光计，超声光栅盒，钠光灯，数字频率计，高频振荡器。

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

yKtNNtyNsscos,

0

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。
图1 密度和折射率呈周期分布
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

yKtAsscos

1


yKtAsscos

2

其合成波为

yKtAyKtAsssscoscos

121
利用三角关系可以求出
tyKAsscoscos2

此式就是驻波的表达式。其中tscos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yKAscos，即振幅与位置y有关，振幅最大发
生在1cosyKs处，对应的2//ssnKny（n=0，1，2，3……）这些点称为驻波
的波幅，波幅处的振幅为2A，相邻波幅间距离为为2/s。振幅最小发生在0cosyKs处，
其中4/)12(sny，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2/s。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。在同一时刻，相邻波节附近
质点密集和稀疏情况正好相反。与此同时，随着液体密度的周期变化，其折射率也呈周期变
化，密度相等处其折射率也相等，这时折射率的空间分布为

tyKNNtyNsscossin2,0

从式中可以看出，液体中各点的折射率是按正弦规律分布的，当光从垂直于超声波的传播方
向透过超声场后，会产生衍射，这一现象如同光栅衍射，所以超声波作用的这一部分介质可
看成是一等效光栅，称为超声光栅。光栅常数为两个相邻等密度处的距离，即超声波的波长
λs。
图 2 t=0 和 t=T/2时刻振幅、折射率及质点的疏密分布

图3 喇曼-纳斯衍射
按照超声频率的高低和受声光作用超声场长度的不同，声光作用可分为两种类型：喇曼
-奈斯衍射和布喇格衍射。本实验采用喇曼-奈斯衍射，如图3所示。平行光垂直入射光栅时，
将产生多级衍射光，且各级衍射极大（即衍射光强度为最大的位置）对称地分布在零级极大
位置的两侧。设第k级衍射极大对应的衍射角为θk，则有

...3,2,1,0sinkk

ks


式中λ为光波波长。超声波在介质中传播的速度为
fvss
式中f为振荡电源的频率。

图 4 实验原理图
超声光栅实验的原理如图4所示。在超声光栅盒中的压电晶体两端加高频电压，压电晶
体在交变电场作用下发生周期性的压缩伸长，即产生机械振动。当外加交变电场频率达到压
电晶体的固有频率时，晶体会发生共振现象，这时机械振动的振幅达到最大值。超声波从晶
体表面发射经过待测介质（如水）后在超声盒的反射器反射，适当调节压电晶体与反射器之
间的距离，在液体中发射波与反射波叠加形成驻波，构成超声光栅。

四、 实验内容与步骤
1． 调节分光计到正常测量状态。
2． 按照图4 将线路连接好，在超声光栅盒中加入适当的水，将超声光栅盒放在分光计的载
物台上，使超声波的传播方向与入射波垂直。
3． 确定高频电压的频率。适当调节高频电压的频率，微微调节压电换能器与反射器之间的
距离，以便观察最佳的衍射条纹。
4． 测量高频电压频率和衍射条纹的衍射角，并测出待测液体的温度。
五、 数据表格和数据处理
1． 衍射条纹的衍射角的测量
2． 求出该温度下液体中的平均声速。
答：求得的平均声速为sv1480m/s。
3． 根据纯水中声速与温度的关系： smTTv/740245.015572。求出实
验室温度下水中声速的经验值，并与实验值比较，求出误差。
答：得经验值为1498m/s，实验值为1480 m/s，sv（1498-1480/1498×100％=1.2％


m
m m

2
mmm





MHz

s

m
s
s

m
vsin

（m/s) sssvvv (m/s)

左 游 标 1绿 290°22’ 289°55’ 13.5’

10.22

1421 -59

1紫 290°19’ 289°59’ 10’ 1422 -58
2绿 290°37’ 289°44’ 26.5’ 1448 -32
2蓝 290°30’ 289°47’ 21.5’ 1424 -56
3绿 290°47’ 289°33’ 37’ 1556 76

右
游
标

1绿 110°20’ 109°55’ 12.5’ 1535 55
1紫 110°16’ 109°56’ 9.5’ 1497 17
2绿 110°32’ 109°41’ 25.5’ 1505 25
2蓝 110°29’ 109°47’ 21’ 1458 -22
3绿 110°45’ 109°30’ 37.5’ 1535 55
液体温度（℃） 25℃ sv1480
六、 思考题
1． 超声光栅与一般的平面刻线光栅有何异同？
答：超声光栅： 由超声波在液体中产生的光栅作用称作超声光栅。
平面衍射光栅：普通的光线衍射光栅
光波在介质中传播时被超声波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，其声压使液体分子产生周期性的变化，促使液体的折射率
也相应地作周期性的变化，形成疏密波。此时，如有平行单色光垂直于超声波传播方向通过
这疏密相同的液体时，就会被衍射，这一作用，类似光栅，所以称为超声衍射。 单色平行
光λ沿着垂直于超声波传播方向通过上述液体时，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（宽度为τ），槽中
的液体就相当于一个衍射光栅。

2． 产生喇曼-奈斯衍射的实验条件是什么？如何保证光速垂直入射？
答：产生喇曼奈斯衍射的实验条件：超声波频率较低、入射角较小，保证光垂直入射需调整
入射角，平行光管发出的平行光垂直于超声光栅盒

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八年级上册物理 声先效应：一、利用超声先栅测定液体中的声速

八年级上册物理 声先效应：一、利用超声先栅测定液体中的声速

实验八超声光栅测液体中的声速【预习重点】1．声光效应的原理，利用声光效应测定液体中的声速的方法。

2．测微目镜的使用方法。

【实验目的】1．了解声光效应的原理；2．掌握利用声光效应测定液体中声速的方法。

【学史背景】1922年布里渊（L·Brillouin）曾预言，当高频声波在液体在传播时，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。

【实验原理】压电陶瓷片（PZT）在高频信号源（频率约10MHz）所产生的的交变电场的作用下，发生周期性的压缩和伸长振动，其在液体中的传播就形成超声波，当一束平面超声波在液体中传播时，其声压使液体分子作周期性变化，液体的局部就会产生周期性的膨胀与压缩，这使得液体的密度在波传播方向上形成周期性分布，促使液体的折射率也做同样分布，形成了所谓疏密波，这种疏密波所形成的密度分布层次结构，就是超声场的图象，此时若有平行光沿垂直于超声波传播方向通过液体时，平行光会被衍射。

以上超声场在液体中形成的密度分布层次结构是以行波运动的，为了使实验条件易实现，衍射现象易于稳定观察，实验中是在有限尺寸液槽内形成稳定驻波条件下进行观察，由于驻波振幅可以达到行波振幅的两倍，这样就加剧了液体疏密变化的程度。

驻波形成以后，某一时刻t，驻波某一节点两边的质点涌向该节点，使该节点附近成为质点密集区，在半个周期以后，t+T/2，这个节点两边的质点又向左右扩散，使该波节附近成为质点稀疏区，而相邻的两波节附近成为质点密集区。

图1 为在t和t+T/2（T为超声振动周期）两时刻振幅y、液体疏密分布和折射率n的变化分析。

由图1可见，超声光栅的性质是，在某一时刻t，相邻两个密集区域的距离为λ，为液体中传播的行波的波长，而在半个周期以后，t+T/2。

测量声速的实验报告声速测定实验数据处理

测量声速的实验报告声速测定实验数据处理

测量声速的实验报告声速测定实验数据处理测量声速（实验报告）实验目的：1）探究影响声速的因素，超声波产生和接收的原理。

2）学习、掌握空气中声速的测量方法3）了解、实践液体、固体中的声速测量方法。

4）三种声速测量方法作初步的比较研究。

实验仪器:1）超声波发射器2）超声波探测器3）平移与位置显示部件。

4）信号发生器：5）示波器实验原理：1)空气中：a.在理想气体中声波的传播速度为v（式中 cpcV（1）称为质量热容比，也称“比热[容]比”，它是气体的质量定压热容cp与质量定容热容cV的比值；M 是气体的摩尔质量，T是绝对温度，R=8.314472(1±1.7×10-6)Jmol-1K-1为摩尔气体常量。

）标准干燥空气的平均摩尔质量为Mst =28.966 10-3kg/mol b.在标准状态下(T0 273.15K,p 101.3 kPa)，干燥空气中的声速为v0=331.5m/s。

在室温t℃下，干燥空气中的声速为v v0（2）（T0＝273.15K）c.然而实际空气总会有一些水蒸气。

当空气中的相对湿度为r时，若气温为t℃时饱和蒸气压为pS，则水汽分压为rps。

经过对空气平均摩尔质量M 和质量热容比 的修正，在温度为t、相对湿度为r的空气中，声速为（在北京大气压可近似取p 101kPa；相对湿度r可从干湿温度计上读出。

温度t℃时的饱和水汽压ps可用lgps 10.2861780237.3trp v 331s 16m s （3）计算）d.式(3)的计算结果与实际的超声声速真值可能有一定偏差。

引起偏差的原因有：~状态参量的测量误差~理想气体理论公式的近似性~实际超声声速还与频率有关的声“色散”现象等。

实验方法：A. 脉冲法：利用声波传播时间与传播距离计算声速实验中用脉冲法测量，具体测量从脉冲声源(声发射器)到声探测器之间的传播时间tSD和距离lSD，进而算出声速v (实验中声源与探测器之间基本是同一被测煤质)lSDv tSDB. 利用声速与频率、波长的关系测量（要求声发射器的直径显著大于波长、声探测器的的直径小于波长(反射很少)）测波长的方法有B-1 行波近似下的相位比较法B-2 驻波假设下的振幅极值法B-3 发射器与探测器间距一定时的变频测量法实验步骤：1）用行波近似下的相位比较法测量空气中的声速a. 正确接线将信号发生器的输出连接到声速仪的超声发射器信号的输入端的T型三通接头上，三通的另一个借口用导线连到示波器的一个输入端。

大物实验报告声速的测定

大物实验报告声速的测定

大物实验报告声速的测定篇一：大学物理实验报告-声速的测量实验报告声速的测量【实验目的】1.学会用共振干涉法、相位比较法以及时差法测量介质中的声速2.学会用逐差法进行数据处理；3.了解声速与介质参数的关系。

【实验原理】由于超声波具有波长短，易于定向发射、易被反射等优点。

在超声波段进行声速测量的优点还在于超声波的波长短，可以在短距离较精确的测出声速。

超声波的发射和接收一般通过电磁振动与机械振动的相互转换来实现，最常见的方法是利用压电效应和磁致伸缩效应来实现的。

本实验采用的是压电陶瓷制成的换能器(探头)，这种压电陶瓷可以在机械振动与交流电压之间双向换能。

声波的传播速度与其频率和波长的关系为：vf(1)由(1)式可知，测得声波的频率和波长，就可以得到声速。

同样，传播速度亦可用v?L/t(2)表示，若测得声波传播所经过的距离L和传播时间t，也可获得声速。

1. 共振干涉法实验装置如图1所示，图中S1和S2为压电晶体换能器，S1作为声波源，它被低频信号发生器输出的交流电信号激励后，由于逆压电效应发生受迫振动，并向空气中定向发出以近似的平面声波；S2为超声波接收器，声波传至它的接收面上时，再被反射。

当S1和S2的表面近似平行时，声波就在两个平面间来回反射，当两个平面间距L为半波长的整倍数，即L=n×，n=0，1，2， (3)2λ时，S1发出的声波与其反射声波的相位在S1处差2nπ(n=1，2 ……)，因此形成共振。

因为接收器S2的表面振动位移可以忽略，所以对位移来说是波节，对声压来说是波腹。

本实验测量的是声压，所以当形成共振时，接收器的输出会出现明显增大。

从示波器上观察到的电信号幅值也是极大值(参见图2)。

图中各极大之间的距离均为λ/2，由于散射和其他损耗，各级大致幅值随距离增大而逐渐减小。

我们只要测出各极大值对应的接收器S2的位置，就可测出波长。

由信号源读出超声波的频率值后，即可由公式(1)求得声速。

超声波速的测量 设计实验报告

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。

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。