中国石油大学 近代物理实验 实验报告 成 绩：
实验4-1 超声光栅与透明液体中声速的测量
【实验目的】
1、观察并体会液体中超声光栅衍射现象
2、学习一种测定透明液体中的声速的方法
3、了解产生超声波的方法
【实验原理】
超声波在液体中以纵波的形式传播，在波前进的路径上，液体被周期压缩与膨胀，其密度产生周期性的变化，形成所谓疏密波。因为液体对光的折射率与液体的密度有关系，所以随着液体密度周期性地变化，其折射率也在周期地变化。如图（4-1-1）所示。
图4-1-1 超声驻波
液体中折射率周期性变化的区域起到了与光学上平面光栅相类似的作用，当入射光线和超声波前进方向互相垂直时，发生衍射，这种衍射即为喇曼-奈斯衍射,此光栅称为超声光栅。所对应的光栅常数，即为两个相邻疏密部分之间的距离，由图（4-1-1）可见，就是超声波的波长Λ。
由光学理论，一波长为λ的平面光垂直通过光栅常数为d的光栅时，其第k级亮条纹的衍射角
满足关系式
k=0,1,2… （4-1-1）
对于超声光栅，由于其光栅常数等于超声波的波长Λ，因此上式可以写成
k=0,1,2… （4-1-2）
当很小时，上式又可以写为
k=0,1,2… （4-1-3）
显然，只要已知入射光波波长λ，测出第k级衍射条纹对应的衍射角，以及超声波的频率f，就可以得到透明液体中的声速v为
(4-1-4)
【实验仪器】
图4-1-4 WSG-I超声光栅声速仪及实验装置图
实验装置如图4-1-4所示，包括WSG-1超声光栅声速仪和光路系统两部分。
光路系统由光源、分光计（JJY-1?）、液体槽、测微目镜等组成。
实验时，应首先对分光计进行调整。拆下液体槽，并用阿贝目镜替换测微目镜，借助平面反射镜用自准直法使望远镜聚焦于无穷远，望远镜的光轴与分光计的转轴垂直，平行光管与望远镜同轴并发射平行光，载物台面与分光计转轴垂直。目镜调焦使视野中分划板刻线清晰，并以平行光管出射的平行光为准，调节望远镜物镜焦距使狭缝像清晰，狭缝像应细锐明亮。
分光计调整好后，安装上液体槽，槽内注入待测液体，扣上盖板，并用导线与超声光栅声速仪连接。盖板上固定有锆钛酸铅陶瓷片（或称PZT晶体），其在高频电信号（由超声光栅声速仪提供）激励下可产生超声波，超声波沿液体槽传播，在液体中形成超声光栅，当有平行光入射时，即发生衍射。由于PZT晶体直接插入液体中，因此本装置不能对电解质溶液进行测量。打开光源和超声光栅声速仪，适当调节输出频率，通过望远镜可看到清晰的衍射条纹，此时将阿贝目镜换为测微目镜，就可测量衍射条纹间距。
光源可使用钠灯或汞灯。钠灯发射的钠黄光波长为589.3nm。汞灯含有三条谱线，分别是：汞蓝光，波长为435.8nm；汞绿光，波长为546.1nm；汞黄光，波长为578.0nm。
设入射光波长为
，
级衍射条纹间距为
，则第
级衍射条纹对应的衍射角为
（4-1-18）
其中F是望远镜物镜焦距，对JJY-1?型分光计，
。从超声光栅声速仪上读出当前超声波频率
，则根据（4-1-3）式和（4-1-4）式可得透明液体中的声速为
（4-1-19）
实验中，如果观察到的衍射条纹不理想，可轻微改变液体槽盖板的角度，以保证声源面与液体槽端面严格平行。应随时检查液面高度，当液面较低时，要及时补充液体至正常液面线处，防止因液体过度挥发而导致液面低于PZT晶体影响观测效果。拆装液体槽、补充液体或更换液体时，应关闭超声光栅声速仪，同时不要接触液体槽通光面，以免污染影响测量。实验中要避免振动，振动会破坏超声光栅，造成测量失败。实验时间不宜过长，时间过长不仅会因液体温度升高，降低测量准确度，而且会使振荡线路过热，损坏仪器。实验结束后，必须将液体倒出，并将PZT晶体表面和液体槽擦干。
【实验内容】
1、分别测量几种透明液体中的声速。测量时注意：提供的液体包括蒸馏水、乙醇、甘油等，对每一种液体，至少要测量三级衍射条纹。更换液体时，一定要将液体槽擦拭干净，以免影响测量准确度。根据表4-1-1中提供的数据，由（4-1-20）式计算当前温度
下不同液体中的声速
，与测量值比较，求取相对不确定度，并分析误差产生的原因。
（4-1-20）
其中： 
是温度为
时液体中的声速；
是温度系数。
2、配置几种不同浓度的蔗糖溶液，分别测量其中的声速，绘制声速与溶液浓度的关系曲线。配置溶液时，应保证溶液的洁净度，悬浮颗粒的存在，会很大程度上影响测量效果。
【数据记录及处理】
测量乙醇不同浓度的水溶液，以及蒸馏水，测量三级衍射条纹，测量数据如表1 。
表1.不同乙醇水溶液和蒸馏水的衍射天文数据
由公式
, 
.
由公式
同理将表1中数据带入上式得到不同介质中超声波波长Λ数据结果见表2 。
从表2中数据可以看出，蒸馏水中声波的传播速度快，乙醇溶液中，乙醇浓度越大，声波传播的速度越小，但在浓度较小时有点反常，这可能是溶液的浓度不是很准，并且在实验中也存在误差。例如，测量条纹刻度是读数不准，条纹间距离读得不均匀，不小心动了目镜的焦距，在放容器测量时不是垂直光路，由于容器的折射率而影响了数据,乙醇挥发致浓度降低。数据总体上符合乙醇浓度越大，声波速度越小。因为水中声波传播速度比在乙醇中传播速度大。
【思考题】
1、实验时可以发现，调节频率使衍射条纹很清楚，但过一会就模糊或消失，这是为什么？
答：调节频率是调节声波的波长，而声波的波长就是超声光栅的光栅系数，光栅系数影响着光的衍射，只有光栅系数与光的波长相当时，才会有明显的衍射当光栅系数大时，光难以衍射；当光栅系数小时，衍射虽然明显，但是光强很弱以致不能观察。
2、光学平面光栅和超声光栅有何异同？
答：相同点：两者的原理相同，都是利用光的衍射原理。
不同点：光学平面光栅只是普通的光线衍射光栅，通过无数的狭缝衍射的。而超声光栅是利用液体在超声波的作用下，使液体的折射率发生周期性变化，液体就成了一个光栅而使光发生衍射。
【实验总结】
本实验所用的原理非常新意，而且非常简单，实验操作也很容易。在实验时，为使效果达到最好，必须调节频率，以能观察到最多的条纹，衍射的条纹最亮。实验结果的误差很大，只能说符合理论，其参考的作用。超声光栅技术的发展也很迅速，现在已广泛应用在无损检查、探伤、测距、测量物质浓度等。
第二篇：利用光栅测量液体中的声速
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。
2.调整光路。把光源、液槽、CCD摄像头依次调整等高、同轴，并使光束的照射方向和液槽内声波传播方向严格垂直。
3.接通光源，连接超声波信号发生器的输出端与超声波液槽信号输入插头，接通电源使超声波信号发生器开始工作（注意：超声波信号发生器不能空载工作）。
4.认真调节狭缝的方向和光源的高度。要求狭缝的方向与声波波阵面严格一致，使显示器屏幕上能够观察到清晰的条纹。调整CCD摄像头的位置，使明暗相间的条纹充满显示屏的整个视场。
5.测量时，测量者先决定液槽的移动方向，然后按测量方向移动测微装置，使光屏上的十字标记与某条纹正好对齐，将测微仪数显值调节为零，然后一边按原来的方向继续移动液槽，一边记下移过十字标记的条纹数计入表1。
【数据记录及处理】
一、整理原始数
表1 待测液体： 温度: ℃ 测量条纹数
=40
二、求波长测量结果
1.测量最佳值： 
（mm）
2.波长的A类不确定度： 
3.波长的B类不确定度： 
其中
4.波长的合成不确定度： 
5.测量结果表达式： 
三、液体声速测量结果计算
1.声速测量最佳值： 
（频率信号发生器的频率值
）
2.声速测量不确定度： 
，（其中，
）
3. 液体声速测量结果： 
超声光栅测声速实验报告
学习资料 20##-03-16 09:16:46 阅读1051 评论2 字号：大中小 订阅
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。
（2）将平面镜放在载物台上，并与望远镜光轴目测垂直，点亮分光计的小灯，转动目镜，先看清晰分划板上的叉丝，再伸缩目镜筒，使十字窗的像十分清晰，并且用视差法检查（上下左右移动眼睛，像与十字叉丝无相对位移），使十字窗及其反射像与分划板叉丝无视差。由自准直原理可知，望远镜已调焦至无限远。
２．采用低压汞灯做光源。
３．将蒸馏水（试验中用自来水代替）注入液体槽，最高液面以槽侧面刻线为准。
4,将此液体槽(可称其为超声池)放置于分光计的载物台上,放置时,使超声池两侧表面
基本垂直于望远镜和平行光管的光轴;
5,两支高频连接线的一端各插入液体槽盖板上的接线柱,另一端接入超声光栅仪电源箱的
高频输出端,然后将液体槽盖板盖在液体槽上;
6,开启超声信号源电源,从阿贝目镜观察衍射条纹,细微调节旋钮(2),使电振荡频率与
锆钛酸铅陶瓷片固有频率共振,此时,衍射光谱的级次会显著增多且更为明亮;
7,如此前分光计已调整到位,左右转动超声池(可转动分光计载物台或游标盘,细微转动
时,可通过调节分光计图中(15)螺钉实现),能使射于超声池的平行光束完全垂直于超声束,
同时观察视场内的衍射光谱左右级次亮度及对称性,直到从目镜中观察到稳定而清晰的左右各3
-4级的衍射条纹为止;
8,按上述步骤仔细调节,可观察到左右各3-4级以上的衍射光谱;
9,取下阿贝目镜,换上测微目镜,调焦目镜,使清晰观察到的衍射条纹.利用测微目镜逐
级测量其位置读数(例如:从-3,··· ,0,··· ,+3),再用逐差法求出条纹间距的平均值.
10,声速计算公式为:
kclfVΔ=/λν
式中:λ-光波波长;υ-共振时频率计的读数;f-望远镜物镜焦距(仪器数据);Δlk-
同一种颜色的衍射条纹间距.
数据记录与处理
表一，微测目镜中衍射条纹位置读数（mm）
-
-
-思考题
1.用逐差法处理数据的优势是生么？
答：用逐差法可以提高实验数据的利用率，减小了随机误差的影响，另外也可减小中仪器误差分量，因此是一种常用的数据处理方法。 有时为了适当加大逐差结果为个周期，但并不需要逐差出个数据，可以连续测量 n个数据后，空出若干数据不记录，到时，再连续记录 n个数据，对所得两组数据进行逐差可得。
2.能否用拿光做光源？
答：不能。这于光源的显色性有关。 一般定义日光显色性为100，而越接近100的则越接近日光，但目前人类还无法制造出达到100的光源 钠灯的显色很差的，这是钠的特性决定的，他就是黄光，显色大概只有20-40左右。而高压汞灯通常为50-60左右，超高压汞灯可以达到70-80甚至更高 而金卤灯（金属卤化物气体放电灯，金属卤化物灯，氙灯）这种灯如果购买的是5000-6500K色温的灯泡，显色性可以达到85-90，可以替代汞灯。 但钠灯显然不可以替代汞灯。