超聲光柵聲速測(cè)定

1、普通物理實(shí)驗(yàn)C課程論文題 目：超聲光柵聲速測(cè)定專業(yè)年級(jí)：物理學(xué)08級(jí)4班姓 名：趙 珊學(xué) 號(hào)：222008315011187指導(dǎo)教師：孫 衛(wèi) 偉論文成績：答辯教師簽字：目錄摘要.1關(guān)鍵詞.1正文1 超聲光柵聲速測(cè)定法的提出背景.22實(shí)驗(yàn)原理 32.1超聲光柵形成原理2.2超聲光柵測(cè)定聲速的理論依據(jù)2.3駐波像的形成2.4測(cè)量波長的方法和特點(diǎn)3 實(shí)驗(yàn)研究3.1CGS超聲光柵聲速測(cè)定儀器介紹3.2實(shí)驗(yàn)操作利用干涉法、相位法測(cè)定液體聲速利用二次干涉法測(cè)定液體聲速利用超聲波駐波像測(cè)定聲波波長3.3實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)3.4實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄與處理3.5討論與分析4 結(jié)束語參考文獻(xiàn)附錄1 引言1922年，布里淵曾預(yù)言

2、，當(dāng)高頻聲波在液體中傳播時(shí)，如果可見光通過該液體，首次提出對(duì)可見光產(chǎn)生衍射效應(yīng)。這一預(yù)言在十年后得到驗(yàn)證,這一現(xiàn)象被稱作聲光效應(yīng)。若聲光作用距離L 較小,光波通過時(shí),介質(zhì)折射率的空間周期性變化性質(zhì)可近似認(rèn)為是時(shí)間不變的,其位相受到的調(diào)制,如同經(jīng)過一個(gè)正弦位相光柵,正弦位相光柵與普通平面矩形光柵的衍射主極大滿足類似的光柵方程 。1935 年, 拉曼( Raman) 和奈斯(Nat h) 對(duì)聲光效應(yīng)進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn),在一定條件下,聲光效應(yīng)的衍射光強(qiáng)分布類似于普通的光柵,所以也稱為液體中的超聲光柵,超聲光柵是一種可擦除的實(shí)時(shí)光柵,它的光柵常數(shù)和位相調(diào)制深度可以通過超聲波的頻率和振幅來控制, 因此,越來越

3、引起人們的關(guān)注,尤其是利用超聲光柵產(chǎn)生的多普勒頻移技術(shù),在外差干涉測(cè)量等許多領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用 。近年來,隨著激光技術(shù)的發(fā)展,聲光相互作用又重新引起人們的注意,超聲光柵已成為控制光的強(qiáng)度、傳播方向等的實(shí)用方法之一,并得到日益廣泛的應(yīng)用。M. S. Greenwood 等人利用超聲光柵衍射譜( UD GS) 來表征泥漿,從而測(cè)量它的顆粒尺寸;梅振林等人將超聲光柵用于聲速的測(cè)量,設(shè)計(jì)出一種切實(shí)可行的儀器并將其用于大學(xué)物理基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)。其中，CGS型超聲光柵聲速儀為大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)儀器。2 實(shí)驗(yàn)原理2.1超聲光柵形成原理（駐波、聲光結(jié)合原理）2.1.1 駐波的形成當(dāng)一束波長為 ，周期為 的平面正弦超聲波在液

4、體里傳播時(shí)，波前進(jìn)路徑上的液體波周期性地壓縮與膨脹，其密度會(huì)發(fā)生周期性的變化，形成疏密波。液體對(duì)光的折射率與液體的密度有關(guān)。疏密作用會(huì)使液體密度減小、折射率減小。壓縮作用會(huì)使液體密度增大、折射率增大。如果在超聲波前進(jìn)的方向上放置一個(gè)表面光滑且與超聲波波陣面平行的金屬反射板，那么到達(dá)反射板表面的超聲波將反射而沿反方向傳播。在一定條件下，前進(jìn)波與反射波疊加而形成駐波。2.1.2超聲光柵的形成在光學(xué)上，任何裝置只要它能給入射光的相位、振幅或者倆者同時(shí)加上一個(gè)周期性的空間調(diào)制，都可以稱為光柵。某時(shí)刻，駐波的任一波節(jié)倆邊的質(zhì)點(diǎn)都涌向這個(gè)節(jié)點(diǎn)。使該節(jié)點(diǎn)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

5、，這個(gè)節(jié)點(diǎn)附近的質(zhì)點(diǎn)又向倆邊散開變?yōu)橄∈鑵^(qū)，相鄰波節(jié)處變?yōu)槊芗瘏^(qū)。隨著液體密度的周期性變化，折射率也呈周期性變化。于是當(dāng)一束光沿垂直于超聲波傳播的方向通過液體時(shí)，光就像通過一個(gè)透射光柵那樣，產(chǎn)生衍射現(xiàn)象，這種由超聲駐波在液體中傳播形成的液體光柵稱為超聲光柵，其光柵常數(shù)等于超聲波波長入。 注意：光在液體中的傳播速度約為3.E+08 m/s，因此，可以認(rèn)為光在通過液體的一段時(shí)間內(nèi)其光柵結(jié)構(gòu)不隨時(shí)間改變，因此，超聲光柵與一維光柵有著相似的作用，其光柵常數(shù)越小（超聲波的頻率很高），衍射作用就越明顯。當(dāng)超聲波頻率比較低（如2Mhz左右，其光柵常數(shù)約1條線/mm）此時(shí)，光的衍射效果可以忽略，直線傳播性質(zhì)明

6、顯，只能顯示光柵的自身影像，即超聲駐波像。2.2 超聲光柵聲速測(cè)定的理論依據(jù)利用超聲光柵測(cè)量液體聲速的方法是：在頻率已知的情況下，測(cè)量波長 然后利用關(guān)系式C=f計(jì)算聲速值。式中c為聲速，f為聲波頻率， 為聲波波長。測(cè)定聲波波長可以用倆種方法。一是，利用較高頻率的超聲駐波形成衍射效果明顯的光柵，來測(cè)定光柵常數(shù)即聲波波長。二是，利用較低頻率的超聲波建立駐波，然后利用駐波自身像測(cè)定聲波長。CGS超聲光柵聲速測(cè)定儀就是利用頻率為1710KHZ的超聲駐波自身像來測(cè)定聲波波長儀器，這種方法通常為振幅柵法。CGS型超聲光柵聲速測(cè)定儀工作原理：當(dāng)壓電晶體Q被信號(hào)發(fā)生器B激勵(lì)產(chǎn)生超聲波時(shí)，適當(dāng)調(diào)節(jié)反射板E使槽內(nèi)

7、形成駐波。這時(shí)如果用具有一定擴(kuò)散角度的線狀光源垂直于聲波方向照射液槽，在液槽的另一側(cè)的專用光屏上可以觀察到光線被超聲駐波調(diào)制而產(chǎn)生的明暗相間的條紋，這是聲波的自身放大像，及超聲光柵的自身像。這里利用擴(kuò)散線光源的目的主要是為了獲得放大了的駐波像。專用光屏實(shí)際上是用在暗筒內(nèi)安裝了成像用的帶有+字刻度的光屏和放大鏡。通過觀察窗口能夠觀察到放大了的明暗相間的條紋。2.3駐波像的形成駐波在聲波的一個(gè)周期內(nèi)，液體中的密集區(qū)（或稀疏區(qū)）經(jīng)歷“形成”、“消失”、“移位”、“再消失”的過程。這樣，在駐波液體中存在著時(shí)間上相差半周期，空間上相對(duì)位移半波長的倆個(gè)交替的瞬間駐波狀態(tài)，而這倆個(gè)瞬間狀態(tài)自形成駐波像。如圖

8、3，液體質(zhì)點(diǎn)位移ar（運(yùn)動(dòng)方向用箭頭表示），聲壓p和折射率n隨反射板距離的分布關(guān)系，圖中畫出了 t, t+入/4 ,t+入/2， 三個(gè)瞬間。其中t和t+入/2恰好是駐波幅度最大的倆個(gè)瞬間，從圖中可看出在這時(shí)間上相差半周期的倆個(gè)瞬間液體中密集區(qū)（稀疏區(qū)）的位置移動(dòng)了半個(gè)波長。從圖中還可以看出t+入/4瞬間，駐波處于消失狀態(tài)。所以，一個(gè)駐波的周期存在t和t+入/2 倆次瞬間駐波像。但是由于超聲波頻率變化非?？?，而人的視覺有暫留現(xiàn)象，無法感覺其迅速交替過程，結(jié)果我們?cè)谄辽弦姷降拿靼迪嚅g條紋，交際上是上述倆個(gè)瞬間狀態(tài)駐波影像的疊加，即其條紋間距對(duì)應(yīng)于超聲波的半波長。2.4 測(cè)定波長的方法和特點(diǎn) 利用超

9、聲駐波像測(cè)定聲波波長時(shí)，因?yàn)槭褂昧税l(fā)散光束，在光屏上得到的明暗相間條紋是放大了的駐波像，因此，屏上條紋間距不等于聲波長。為了測(cè)量待測(cè)液體的聲波長，必須在聲波傳播方向上利用測(cè)微裝置移動(dòng)并且測(cè)量液槽，使光屏上的駐波放大像也隨著移動(dòng)，利用光屏上的+字標(biāo)記，記錄移動(dòng)過標(biāo)記的條紋數(shù)，如果液槽移動(dòng)距離為Y（利用測(cè)微測(cè)量儀器測(cè)定），移動(dòng)標(biāo)記的條紋數(shù)為n，則待測(cè)液體的聲波波長為2Y/n。 利用該方法測(cè)量聲速時(shí)，因?yàn)轳v波結(jié)構(gòu)是比較穩(wěn)定的，在整個(gè)測(cè)量過程中不容易受其他干擾，而且使用穩(wěn)頻固定頻率信號(hào)，因而消除了引起系統(tǒng)誤差的各種可能性因此該一起的測(cè)量精度比較高。3實(shí)驗(yàn)研究3.1 CGS型超聲光柵聲速測(cè)定儀儀器介紹

10、圖1 CGS型超聲光柵聲速測(cè)定儀儀器實(shí)物圖圖2 CGS型超聲光柵聲速測(cè)定儀儀器原理圖如圖2，CGS型超聲光柵聲速測(cè)定儀主要由五個(gè)部分組成：1:超聲波液槽A。內(nèi)部尺寸50mm*70mm*90mm。在透明槽內(nèi)安裝有產(chǎn)生超聲振動(dòng)的壓電晶體Q和正對(duì)晶體的反散射板E。2：激勵(lì)壓電晶體產(chǎn)生超聲振動(dòng)的穩(wěn)頻超聲振動(dòng)波信號(hào)發(fā)生器B。輸出信號(hào)頻率:1710KHZ；頻率穩(wěn)定度： 1.E-05；輸入信號(hào)幅度：大于20V(為了使用方便設(shè)倆個(gè)并聯(lián)的輸出端)；使用電源：交流220V±5%；耗電功率：小于45W3：能夠把液槽沿聲波傳播方向平移的測(cè)微測(cè)量裝置C。數(shù)字顯示，廠家可提供倆種型號(hào)其最小分度值分別為0.01m

11、m或0.001mm。用戶根據(jù)測(cè)量精度要求自選。測(cè)量距離100mm，可測(cè)條紋數(shù)多于150條。本實(shí)驗(yàn)用的是0.01mm的精度。4：具有可調(diào)狹縫的線狀光源D。使用光源：6.3V直燈絲燈泡可調(diào)狹縫：狹縫長度12mm 狹縫縫寬調(diào)節(jié)范圍0-2mm。5：顯示觀察條紋用的專用光屏S。高度，方向可調(diào)，光屏中心部位有+字標(biāo)記放大鏡焦距可以調(diào)節(jié)。其他附件：（1） 超聲相位法、干涉法：一個(gè)壓電接收探頭及其支架 示波器（2） 二次干涉法：a能產(chǎn)生直徑20mm平行光的激光光源 b一個(gè)成像透鏡 c光屏3 .2實(shí)驗(yàn)操作32.1 利用超聲干涉法，相位法測(cè)定液體聲速首先，以超聲波接收探頭代替反射板的位置，利用探頭支架把探頭連接在

12、測(cè)微測(cè)量儀上，調(diào)節(jié)接收探頭，使探頭的晶體面與發(fā)射探頭晶體面與發(fā)射探頭晶體面等高且平行，這時(shí)超聲波的傳播方向和測(cè)微儀器的測(cè)量方向應(yīng)當(dāng)嚴(yán)格平行。（1）干涉法測(cè)量聲波長把信號(hào)發(fā)生器的一個(gè)輸出端接在發(fā)射探頭上，接收探頭信號(hào)接到示波器的Y軸輸入端。當(dāng)儀器正常工作時(shí)，發(fā)射探頭和接收探頭之間產(chǎn)生干涉疊加。如果單方面改變倆者之間距離，那么，每當(dāng)滿足半個(gè)波長的整數(shù)倍時(shí)，都能形成駐波狀態(tài)，可利用示波器觀察接受探頭所產(chǎn)生信號(hào)的周期性變化來測(cè)定聲波長。如果信號(hào)強(qiáng)度（極大值或者極小值）變化n次，距離變化為Y，則聲波波長入=2Y/n（2）相位法測(cè)定聲波長在干涉法的基礎(chǔ)上，再把信號(hào)發(fā)生器另一輸出端的信號(hào)接入到示波器的X軸輸

13、入端，就成為相位法的測(cè)量裝置。這時(shí)，示波器的圖形就顯示發(fā)射探頭和接收探頭之間相位變化的李薩如圖形。倆者之間的距離每當(dāng)改變一個(gè)波長入 ，圖形的形狀就周期性的變化一次。如果圖形的變化n次，測(cè)微裝置測(cè)量距離為Y，那么聲長就等于入=2Y/n32.2利用二次干涉法測(cè)定液體聲速二次干涉法的測(cè)量裝置，由產(chǎn)生直徑約20mm的擴(kuò)展平行光束的激光系統(tǒng)、可調(diào)反射板的液槽、成像透鏡及光屏組成。二次干涉法測(cè)量時(shí)，是把激光光束透過駐波產(chǎn)生的超聲光柵作為物，利用成像透鏡把這個(gè)物（光柵）的像顯示在光屏的方法測(cè)量聲波波長。阿貝成像告訴我們，光屏上看到的明暗條紋是在透鏡焦平面上超聲光柵的傅立葉頻譜作為子光源再組合（二次干涉），在

14、像平面上干涉疊加，形成了超聲光柵的放大像。這時(shí)，設(shè)透鏡的焦距為f，焦平面與光屏距離為l，光屏上的條紋間距離為p，則聲波波長入等于入=2vfp/l 。因此，可求出v=f*入=2fp/l（在二次干涉法中也可以用測(cè)微裝置平移超聲波液槽方法測(cè)定）利用超聲波駐波像測(cè)定聲波波長（本實(shí)驗(yàn)采用）（1）首先，調(diào)節(jié)駐波液槽內(nèi)的反射板，壓電晶體面與反射板等高平行，其間距約50mm，然后裝入待測(cè)液體。（2）把液槽放在測(cè)微測(cè)量裝置上，使超聲波傳播方向和測(cè)微測(cè)量裝置的測(cè)量方向一致。（3）把光源、液槽、光屏依次調(diào)整，使其等高、同軸，并使光束的照射方向和液槽內(nèi)光波傳播方向嚴(yán)格垂直。（光源狹縫與液槽距離約35mm，液槽與專用光

15、屏前端距離約10mm）（4）連接光源與6.3v交流電源，連接超聲波信號(hào)發(fā)生器的輸出端與超聲波液槽信號(hào)輸入插頭，接通電源使光源系統(tǒng)和超聲波信號(hào)發(fā)生器開始工作。調(diào)節(jié)光屏的位置使透過超聲波液槽的擴(kuò)散光束處于光屏中心。（5）調(diào)節(jié)反射板，調(diào)節(jié)狹縫的方向，寬度（0-0.5mm），高度及狹縫與燈絲距離。要求燈絲、狹縫的方向與聲波波陣面嚴(yán)格一致。這時(shí)，再調(diào)狹縫寬度和光屏放大鏡使光屏上能夠觀察到清晰的條紋。（6）測(cè)量時(shí)，測(cè)量者先決定液槽的移動(dòng)方向，然后按測(cè)量方向移動(dòng)測(cè)微裝置，使光屏上的液槽，一邊記移過+字標(biāo)記的條紋數(shù)。設(shè)移動(dòng)距離為Y，移過+字標(biāo)記的條紋數(shù)是n（一般n為40-60條），則待測(cè)液體的波長為2Y/n，

16、待測(cè)液體的聲速v=入f。3.3實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)（1）該儀器使用中，特別注意保護(hù)的部分為超聲波液槽和發(fā)射探頭及超聲波信號(hào)發(fā)生器。（）先將液槽內(nèi)添加待測(cè)液體，然后加超聲波信號(hào)，以防止發(fā)射探頭內(nèi)的壓電陶瓷片在空氣中強(qiáng)行振動(dòng)而損壞。（）超聲波信號(hào)發(fā)生器工作時(shí)，要求先在其信號(hào)輸入端接好負(fù)載（超聲波液槽），然后開電源開關(guān)，以保護(hù)信號(hào)源的安全。（4）使用完畢應(yīng)將液槽內(nèi)的待測(cè)液體倒出，擦洗干凈。3.4實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄表1測(cè)定液體波長數(shù)據(jù)記錄表待測(cè)液體：水 溫度：21.0（度） 測(cè)量條數(shù)n=40 條紋數(shù) 條紋讀數(shù)值 條紋數(shù) 條紋讀數(shù)值 測(cè)量距離 波長 Yi （mm） Y(i+30) （mm） （mm） （mm） 1 5

17、.06 31 -7.95 13.01 0.8673 2 4.60 32 -8.40 13.00 0.8667 3 4.20 33 -8.82 13.02 0.8680 4 3.77 34 -9.27 13.04 0.8693 5 3.32 35 -9.65 12.97 0.8647 6 2.92 36 -10.14 13.06 0.8707 7 2.52 37 -10.57 13.09 0.8727因此，波長· =（0.8673+0.8667+0.8680+0.8693+0.8647+0.8707+0.8727）/7=0.8685mmV=f=1710*0.8685=1485.135m

18、/s與附錄二在21度時(shí)的聲速1485.69比較算出百分誤差wW=（1485.69-1485.135）/1485.69*100%=0.0374%波長的標(biāo)準(zhǔn)差s（x）=聲速的不確定度u（v）=誤差分析：（1）明暗相間的條紋不清晰，以致于+字叉絲定位條紋數(shù)不準(zhǔn)。（2）水中可能有雜質(zhì)造成水本身的密度不能均勻。（3）實(shí)驗(yàn)中不可能保證水不震蕩，同樣可以造成水的密度不均勻。 實(shí)驗(yàn)結(jié)論載有超聲波的水具有能使它給入射光的相位、振幅、加上一個(gè)周期性的空間調(diào)制被成為超聲光柵，其光柵常數(shù)為超聲波波長入。測(cè)量聲速有主要是測(cè)量波長，（在給定光波頻率的條件下）。因此，本實(shí)驗(yàn)有三種測(cè)量波長的方法（二次干涉法、相位法、超聲波駐波像法），本實(shí)驗(yàn)CGS型超聲光柵聲速儀利用超聲駐波自身像測(cè)量聲速公式· =2Y/n（1）V=f（2）其中：n為屏上條紋移動(dòng)條紋數(shù)；Y為屏上移動(dòng)n條時(shí)液槽的移動(dòng)量；f為超聲波頻率；為超聲波波長 ；V為超聲波在液體中的傳播速度3.5討論與