利用超聲光柵測(cè)定液體中的聲速

1、利用超聲光柵測(cè)定液體中的聲速實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)介：1970）和奈斯（Nath）發(fā)現(xiàn)，在一定條件下，聲光效應(yīng)的衍射光強(qiáng)分布類似于普通光柵的衍射。這種聲光效應(yīng)稱作拉曼奈斯衍射，他提供了一種調(diào)控光束頻率、強(qiáng)度和方向的方法。本實(shí)驗(yàn)要求在理解超聲光柵基本原理的基礎(chǔ)上掌握實(shí)驗(yàn)的調(diào)節(jié)和測(cè)量方法。實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?、了解超聲光柵產(chǎn)生的原理。 2、了解聲波如何對(duì)光信號(hào)進(jìn)行調(diào)制。 3、通過(guò)對(duì)液體（非電解質(zhì)溶液）中的聲速的測(cè)定，加深對(duì)其概念的理解。 實(shí)驗(yàn)儀器：超聲光柵實(shí)驗(yàn)儀（數(shù)字顯示高頻功率信號(hào)源及內(nèi)裝壓電陶瓷片的液槽）、分光計(jì)、低壓汞燈、溫度計(jì)。分光計(jì)汞燈超聲池實(shí)驗(yàn)原理：1、超聲光柵的形成在透明介質(zhì)中傳播的超聲波使介質(zhì)的局部發(fā)生周

2、期性的壓縮與膨脹，以至密度隨之發(fā)生相應(yīng)的變化，某時(shí)刻，縱駐波的任一波節(jié)兩邊成為質(zhì)點(diǎn)密集區(qū)，而相鄰的波節(jié)處為質(zhì)點(diǎn)稀疏區(qū)；半個(gè)周期后兩個(gè)節(jié)點(diǎn)附近的質(zhì)點(diǎn)又向兩邊散開變?yōu)橄∈鑵^(qū)，相鄰波節(jié)處變?yōu)槊芗瘏^(qū)。稀疏區(qū)作用使介質(zhì)折射率減小，而壓縮作用使介質(zhì)折射率增大（如圖1所示）。疏密疏密疏反射板疏密疏密密反射板單色平行光束沿著垂直于超聲波傳播方向通過(guò)槽中的液體時(shí)，因超聲波的波長(zhǎng)很短，只要槽足夠?qū)?，槽中的液體就像一個(gè)衍射光柵，途中的聲波波長(zhǎng)就相當(dāng)于光柵常數(shù)。圖1 在和（為超聲振動(dòng)周期）兩時(shí)刻振幅，液體疏密分布和折射率的變化2、光柵常數(shù)的測(cè)量及聲速的計(jì)算：圖2超聲光柵衍射光路根據(jù)光柵方程，衍射的主極大（光譜線）由下

3、式確定：其中為光源波長(zhǎng)，為干涉級(jí)數(shù)，為光柵衍射零級(jí)至級(jí)光譜的夾角。超聲的實(shí)驗(yàn)光路圖如圖2所示，實(shí)際上因角很小，可以認(rèn)為所以超聲波波長(zhǎng)超聲光柵在液體中的傳播速度式中：是高頻功率信號(hào)源與壓電陶瓷的共振頻率。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及實(shí)驗(yàn)步驟：1、分光計(jì)的調(diào)整（調(diào)整方法見(jiàn)分光計(jì)的使用實(shí)驗(yàn)），用自準(zhǔn)直法使望遠(yuǎn)鏡聚焦于無(wú)窮遠(yuǎn)，望遠(yuǎn)鏡的光軸與分光計(jì)的轉(zhuǎn)軸中心垂直，平行光管與望遠(yuǎn)鏡同軸并出射平行光，觀察望遠(yuǎn)鏡的光軸與載物臺(tái)的臺(tái)面平行。目鏡調(diào)焦使看清分劃板刻線，并以平行光管出射的平行光為準(zhǔn)，調(diào)節(jié)望遠(yuǎn)鏡使觀察到的狹縫清晰，狹縫應(yīng)調(diào)至最小，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中無(wú)需調(diào)節(jié)；2、將待測(cè)液體（如蒸餾水、乙醇或其他液體）注入液體槽內(nèi)，液面高度以液體

4、槽側(cè)面的液體高度刻線為準(zhǔn)； 3、將此液體槽（可稱其為超聲池）放置于分光計(jì)的載物臺(tái)上，放置時(shí)，使超聲池兩側(cè)表面基本垂直于望遠(yuǎn)鏡和平行光管的光軸； 4、兩支高頻連接線的一端各插入液體槽蓋板上的接線柱，另一端接入超聲光柵儀電源箱的高頻輸出端，然后將液體槽蓋板蓋在液體槽上； 5、開啟超聲信號(hào)源電源，從阿貝目鏡觀察衍射條紋，細(xì)微調(diào)節(jié)旋鈕（2），使電振蕩頻率與鋯鈦酸鉛陶瓷片固有頻率共振，此時(shí)，衍射光譜的級(jí)次會(huì)顯著增多且更為明亮； 6、如此前分光計(jì)已調(diào)整到位，左右轉(zhuǎn)動(dòng)超聲池（可轉(zhuǎn)動(dòng)分光計(jì)載物臺(tái)或游標(biāo)盤，細(xì)微轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，可通過(guò)調(diào)節(jié)分光計(jì)圖中（15）螺釘實(shí)現(xiàn)），能使射于超聲池的平行光束完全垂直于超聲束，同時(shí)觀察視場(chǎng)

5、內(nèi)的衍射光譜左右級(jí)次亮度及對(duì)稱性，直到從目鏡中觀察到穩(wěn)定而清晰的左右各34級(jí)的衍射條紋為止； 7、按上述步驟仔細(xì)調(diào)節(jié)，可觀察到左右各34級(jí)以上的衍射光譜； 8、對(duì)水的聲光衍射用分光計(jì)分別測(cè)量藍(lán)紫、綠、黃三條譜線各級(jí)的位置，即時(shí)記錄頻率和液體溫度（可用室溫）。9、聲速計(jì)算公式為： kclfV=/ 式中：光波波長(zhǎng)；共振時(shí)頻率計(jì)的讀數(shù)；f望遠(yuǎn)鏡物鏡焦距（儀器數(shù)據(jù)）；lk同一種顏色的衍射條紋間距。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄及處理：（）測(cè)出藍(lán)紫、綠、黃譜線各衍射級(jí)的位置液體名稱： 水 頻率： MHz 實(shí)驗(yàn)室溫度： 位置（角度）-3級(jí)-2級(jí)-1級(jí)零級(jí)1級(jí)2級(jí)3級(jí)藍(lán)紫光綠光黃光（）由表中的數(shù)據(jù)計(jì)算出各譜線的左右各級(jí)衍射間

6、距位置（弧度）級(jí)級(jí)級(jí)藍(lán)紫光綠光黃光（）計(jì)算超聲波在水中的波長(zhǎng)，求得波長(zhǎng)平均值波長(zhǎng)（m）級(jí)級(jí)級(jí)藍(lán)紫光綠光黃光 m（）計(jì)算求得的超聲在水中的聲速相對(duì)百分差（水中的聲速公認(rèn)值為） 實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng) 1、超聲池置于載物臺(tái)上必須穩(wěn)定，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中應(yīng)避免震動(dòng)，以使超聲在液槽內(nèi)形成穩(wěn)定的駐波。導(dǎo)線分布電容的變化會(huì)對(duì)輸出電頻率有微小影響，因此不能觸碰連接超聲池和高頻信號(hào)源的兩條導(dǎo)線； 2、鋯鈦酸鉛陶瓷片表面與對(duì)應(yīng)面的玻璃槽壁表面必須平行，此時(shí)才會(huì)形成較好的表面駐波，因此實(shí)驗(yàn)時(shí)應(yīng)將超聲池的上蓋蓋平，而上蓋與玻璃槽留有較小的空隙，實(shí)驗(yàn)時(shí)微微扭動(dòng)一下上蓋，有時(shí)也會(huì)使衍射效果有所改善； 3、一般共振頻率在左右，WSG-I

7、超聲光柵儀給出1012MHz可調(diào)范圍。在穩(wěn)定共振時(shí)，數(shù)字頻率計(jì)顯示的頻率值應(yīng)是穩(wěn)定的，最多只有最末尾有12個(gè)單位數(shù)的變動(dòng)； 4、實(shí)驗(yàn)時(shí)間不宜過(guò)長(zhǎng)，其一，聲波在液體中的傳播與液體溫度有關(guān)，時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，溫度可能在小范圍內(nèi)有變動(dòng)，從而回影響測(cè)量精度，一般測(cè)量可以待測(cè)液體溫度同于室溫，精密測(cè)量可在超聲池內(nèi)插入溫度計(jì)測(cè)量；其二，頻率計(jì)長(zhǎng)時(shí)間處于工作狀態(tài)，會(huì)對(duì)其性能有一定影響，尤其在高頻條件下有可能會(huì)使電路過(guò)熱而損壞，實(shí)驗(yàn)時(shí)，特別注意不要使頻率長(zhǎng)時(shí)間調(diào)在12MHz以上，以免振蕩線路過(guò)熱； 5、在更換液體時(shí)必須先關(guān)閉信號(hào)源否則壓電陶瓷會(huì)振裂；提取液槽應(yīng)拿兩端面，不要觸摸兩側(cè)表面通光部位，以免污染，如已有污染，可用酒精乙醚清洗干凈，或用鏡頭紙擦凈。6、實(shí)驗(yàn)完畢應(yīng)將超聲池內(nèi)被測(cè)液體倒出，不要將鋯鈦酸鉛陶瓷片長(zhǎng)時(shí)間浸泡在液槽內(nèi)； 思考題： （1）本