浙光WSGI超聲光柵聲速儀說明書1061.1.10

1、wsg-i型超聲光柵聲速儀說明書一、 前言本儀器隸屬聲光效應(yīng)實驗范疇，在光路中放置一產(chǎn)生聲波振動的媒介實現(xiàn)對透過光的調(diào)制，而且調(diào)制效果可以與聲信號存在可計算的聯(lián)絡(luò)，讓學(xué)生了解如何對光信號進(jìn)行調(diào)制，以及實現(xiàn)這一過程的手段，同時也為測量液體（非電解質(zhì)溶液）中的聲速提供另一種思路和方法，而采用超聲光柵技術(shù)測量液體中的聲速，具有設(shè)備簡單、操作方便、精確度高等優(yōu)點。wsgi型超聲光柵聲速儀為專利產(chǎn)品(專利號:02260193.7)，未經(jīng)授權(quán)，凡生產(chǎn)、銷售、購買仿制產(chǎn)品均屬侵權(quán)行為。二、 原理 光波在介質(zhì)中傳播時被超聲波衍射的現(xiàn)象，稱為超聲致光衍射（亦稱聲光效應(yīng)）。超聲波作為一種縱波在液體中傳播時，其聲壓

2、使液體分子產(chǎn)生周期性的變化，促使液體的折射率也相應(yīng)的作周期性的變化，形成疏密波。此時，如有平行單色光沿垂直于超聲波傳播方向通過這疏密相同的液體時，就會被衍射，這一作用，類似光柵，所以稱為超聲光柵。超聲波傳播時，如前進(jìn)波被一個平面反射，會反向傳播。在一定條件下前進(jìn)波與反射波疊加而形成超聲頻率的縱向振動駐波。由于駐波的振幅可以達(dá)到單一行波的兩倍，加劇了波源和反射面之間液體的疏密變化程度。某時刻，縱駐波的任一波節(jié)兩邊的質(zhì)點都涌向這個節(jié)點，使該節(jié)點附近成為質(zhì)點密集區(qū)，而相鄰的波節(jié)處為質(zhì)點稀疏處；半個周期后，這個節(jié)點附近的質(zhì)點有向兩邊散開變?yōu)橄∈鑵^(qū)，相臨波節(jié)處變?yōu)槊芗瘏^(qū)。在這些駐波中，稀疏作用使液體折射

3、率減小，而壓縮作用使液體折射率增大。在距離等于波長a的兩點，液體的密度相同，折射率也相等，如圖一所示。圖一 在t和t+t/2(t為超聲振動周期)兩時刻振幅y，液體疏密分布和折射率n的變化單色平行光沿著垂直于超聲波傳播方向通過上述液體時，因折射率的周期變化使光波的波陣面產(chǎn)生了相應(yīng)的位相差，經(jīng)透鏡聚焦出現(xiàn)衍射條紋。這種現(xiàn)象與平行光通過透射光柵的情形相似。因為超聲波的波長很短，只要盛裝液體的液體槽的寬度能夠維持平面波（寬度為），槽中的液體就相當(dāng)于一個衍射光柵。圖中行波的波長a相當(dāng)于光柵常數(shù)。由超聲波在液體中產(chǎn)生的光柵作用稱作超聲光柵。當(dāng)滿足聲光喇曼奈斯衍射條件時，這種衍射相似于平面光柵衍射，可得如下

4、光柵方程（式中k為衍射級次，k為零級與k級間夾角）在調(diào)好的分光計上，由單色光源和平行光管中的會聚透鏡（l1）與可調(diào)狹縫s組成平行光系統(tǒng)，如圖二所示：圖二 wsg-i超聲光柵儀衍射光路圖讓光束垂直通過裝有鋯鈦酸鉛陶瓷片（或稱pzt 晶片）的液槽，在玻璃槽的另一側(cè)，用自準(zhǔn)直望遠(yuǎn)鏡中的物鏡（l2）和測微目鏡組成測微望遠(yuǎn)系統(tǒng)。若振蕩器使pzt晶片發(fā)生超聲振動，形成穩(wěn)定的駐波，從測微目鏡即可觀察到衍射光譜。從圖二中可以看出，當(dāng)k很小時，有：其中l(wèi)k為衍射光譜零級至k級的距離；f為透鏡的焦距。所以超聲波波長： 超聲波在液體中的傳播的速度： 式中的是振蕩器和鋯鈦酸鉛陶瓷片的共振頻率，為同一色光衍射條紋間距。

5、三、 性能指標(biāo)1、輸入電壓 220v 50hz3、輸出信號頻率： 8 12 mhz工作頻率 9.511.5 mhz4、測微目鏡測量范圍： 8mm測量精度： 0.01mm四、 儀器結(jié)構(gòu)儀器由超聲信號源、超聲池、高頻信號連接線、測微目鏡等組成，并配置了具有11mhz左右共振頻率的鋯鈦酸鉛陶瓷片。實驗應(yīng)以本公司生產(chǎn)的jjy1分光計系列為實驗平臺。超聲信號源面板見圖三所示，超聲池在分光計上的放置位置見圖四所示。圖三 超聲信號源面板示意圖1、電源開關(guān) 2、頻率微調(diào)鈕3、高頻信號輸出端（無正負(fù)極區(qū)別） 4、頻率顯示窗圖四 液槽放置示意圖（其中2、3、4、9為分光計配置）1、單色光源（鈉或汞） 2、狹縫 3

6、、平行光管4、裁物臺 5、接線柱 6、液體槽7、液體槽座 8、鎖緊螺釘 9、望遠(yuǎn)鏡光管10、接筒11、測微目鏡五、 實驗步驟1、分光計（調(diào)整方法可參閱本公司生產(chǎn)的jjy1系列分光計的說明書），用自準(zhǔn)直法使望遠(yuǎn)鏡聚焦于無窮遠(yuǎn)，望遠(yuǎn)鏡的光軸與分光計的轉(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)鏡的光軸與載物臺的臺面平行。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，實驗過程中無需調(diào)節(jié)。2、采用低壓汞燈作光源。3、將待測液體（如蒸餾水、乙醇或其他液體）注入液體槽內(nèi)，液面高度以液體槽側(cè)面的液體高度刻線為準(zhǔn)。4、將液體槽座卡在分光計載物

7、臺上，液體槽座的缺口對準(zhǔn)并卡住載物臺側(cè)面的鎖緊螺釘，放置平衡，并用鎖緊螺釘鎖緊。5、將此液體槽（可稱其為超聲池）平穩(wěn)地放置在液體槽座中，放置時，轉(zhuǎn)動載物臺使超聲池兩側(cè)表面基本垂直于望遠(yuǎn)鏡和平行光管的光軸。6、兩支高頻連接線的一端各插入液體槽蓋板上的接線柱，另一端接入超聲信號源的高頻輸出端，然后將液體槽蓋板蓋在液體槽上。7、開啟超聲信號源電源，從阿貝目鏡觀察衍射條紋，仔細(xì)調(diào)節(jié)頻率微調(diào)鈕（2），使電振蕩頻率與鋯鈦酸鉛陶瓷片固有頻率共振，此時，衍射光譜的級次會顯著增多且更為明亮。8、如此前分光計已調(diào)整到位，左右轉(zhuǎn)動超聲池（可轉(zhuǎn)動分光計載物臺或游標(biāo)盤，細(xì)微轉(zhuǎn)動時，可通過調(diào)節(jié)分光計圖中（15）螺釘實現(xiàn)）

8、，能使射于超聲池的平行光束完全垂直于超聲束，同時觀察視場內(nèi)的衍射光譜左右級次亮度及對稱性，直到從目鏡中觀察到穩(wěn)定而清晰的左右各34級的衍射條紋為止。9、按上述步驟仔細(xì)調(diào)節(jié)，可觀察到左右各34級或以上的衍射光譜。10、取下阿貝目鏡，換上測微目鏡，接筒在出廠時已裝在測微目鏡上，調(diào)焦目鏡，使清晰觀察到的衍射條紋。利用測微目鏡逐級測量其位置讀數(shù)（例如：從2、··· 、0、··· 、2），再用逐差法求出條紋間距的平均值。11、聲速計算公式為：式中：光波波長；共振時頻率計的讀數(shù)；f望遠(yuǎn)鏡物鏡焦距（儀器數(shù)據(jù)）；同一種顏色的衍射條紋間距。六、 實驗中

9、應(yīng)注意事項1、超聲池置于載物臺上必須穩(wěn)定，在實驗過程中應(yīng)避免震動，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對輸出電頻率有微小影響，測量數(shù)據(jù)時不能觸碰連接超聲池和高頻信號源的兩條導(dǎo)線。2、鋯鈦酸鉛陶瓷片表面與對應(yīng)面的玻璃槽壁表面必須平行，此時才會形成較好的表面駐波，因此實驗時應(yīng)將超聲池的上蓋蓋平，而上蓋與玻璃槽留有較小的空隙，實驗時微微扭動一下上蓋，有時也會使衍射效果有所改善。3、一般共振頻率在11mhz左右，wsg-i超聲光柵聲速儀給出9.512mhz可調(diào)范圍。在穩(wěn)定共振時，數(shù)字頻率計顯示的頻率值應(yīng)是穩(wěn)定的，最多只有末尾有12個單位數(shù)的變動。4、實驗時間不宜過長，其一，聲波在液體中

10、的傳播與液體溫度有關(guān)，時間過長，溫度可能在小范圍內(nèi)有變動，從而會影響測量精度，一般測量可以待測液體溫度同于室溫，精密測量可在超聲池內(nèi)插入溫度計測量；其二，頻率計長時間處于工作狀態(tài)，會對其性能有一定影響，尤其在高頻條件下有可能會使電路過熱而損壞，實驗時，特別注意不要使頻率長時間調(diào)在12mhz以上，以免振蕩線路過熱。5、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、實驗中液槽中會有一定的熱量產(chǎn)生，并導(dǎo)致媒質(zhì)揮發(fā)，槽壁會見揮發(fā)氣體凝露，一般不影響實驗結(jié)果，但須注意液面下降太多致鋯鈦酸鉛陶瓷片外露時，應(yīng)及時補(bǔ)充液體至正常液面線處。7、實驗

11、完畢應(yīng)將超聲池內(nèi)被測液體倒出，不要將鋯鈦酸鉛陶瓷片長時間浸泡在液槽內(nèi)。8、以下兩點可明顯提高條紋清晰度和衍射級次 將狹縫內(nèi)的毛玻璃片卸除 光源盡量靠近狹縫七、應(yīng)用實例聲速計算公式： 式中：f為透鏡l2的焦距（jjy分光計）為170mm；汞燈波長（其不確定度忽略不計）分別為：汞藍(lán)光435.8nm，汞綠光546.1nm，汞黃光578.0nm（雙黃線平均波長）。樣品195%分析乙醇實驗溫度23.512.15±0.02mhz（0.17%）測微目鏡中衍射條紋位置讀數(shù),小數(shù)點后第三位為估數(shù)值：（mm）級色-4-3-2-101234黃0.9371.9412.9684.0355.0546.0837.

12、100綠0.1451.1002.0803.0724.0354.9815.9516.9267.900藍(lán)0.9341.7082.4603.2434.0354.8095.5596.3357.109用逐差法計算各色光衍射條紋平均間距及標(biāo)準(zhǔn)差：光色衍射條紋平均間距x±x聲速v黃1.0326±0.0026mm，0.25%1156±4m/s，0.30%綠0.9726±0.0018mm，0.20%1160±3m/s，0.26%藍(lán)0.7733±0.0020mm，0.26%1164±4m/s，0.31%將三種不同的波長測量的聲速平均得：vc11

13、60m/s0.35%手冊值：1168m/s（c2h5oh20）樣品2純凈水實驗溫度：24v12.24±0.02mhz（0.17%）測微目鏡中衍射條紋位置讀數(shù)：（mm）級色-4-3-2-101234黃1.6212.3903.1954.0364.8265.6306.432綠0.9861.7482.4893.2754.0364.7725.5366.3027.073藍(lán)1.5832.1972.7823.3954.0364.6115.2195.8286.434用逐差法計算各色光衍射條紋平均間距及標(biāo)準(zhǔn)差：光色衍射條紋平均間距x±x聲速v黃0.8068±0.0041mm，0.49

14、%1491±8m/s，0.53%綠0.7593±0.0022mm，0.29%1497±5m/s，0.33%藍(lán)0.6068±0.0019mm，0.21%1495±6m/s，0.40%將三種不同的波長所測量的聲速平均得：vc1494m/s手冊值：1482.9m/s（h2o20）水中的聲速隨溫度作拋物線式變化，v水1557-0.0245（74-t）2，如果按照這個公式進(jìn)行計算，則得到t=24時水中的聲速為：1495m/s。實測數(shù)據(jù)及計算結(jié)果同標(biāo)準(zhǔn)值相比，誤差較小。從中可以看出，不同液體中的聲速有很大差別。在不同的溫度下所測量的實驗數(shù)據(jù)都會有微小的變化

15、，在一般情況下，液體的聲速的溫度系數(shù)大多數(shù)是負(fù)的（見附錄），且接近線性變化，即隨著溫度的升高，液體中的聲速會下降。八、 特別提示1、本儀器僅可與我公司生產(chǎn)的jjy1系列分光計配套，用戶購買時請說明原使用我公司分光計型號，以便提供適用的配件，對非本公司生產(chǎn)的分光計，由于存在儀器結(jié)構(gòu)和參數(shù)上的差異，請勿配套，否則因此產(chǎn)生的一切后果由用戶自負(fù)，特此說明，請用戶諒解。2、傳聲媒介在含有雜質(zhì)時對測量結(jié)果影響較大，建議使用蒸餾水（或可暫取市售飲用純凈水代用）分析純酒精、甘油等，對某些有毒副作用的媒質(zhì)（如苯等），不建議學(xué)生實驗中使用，教師教學(xué)或科研需要時，應(yīng)注意安全。3、長時間不用時，請將測微目鏡收于原裝木箱中并放置干燥劑；液體槽應(yīng)請洗干凈，自然晾干后，妥善放置，不可有灰塵等污物侵入。4、為便于實驗課講解，建議購置wsgccd超聲光柵示教儀。九、 裝箱單：1、超聲信號源1臺2、液體槽1只3、鋯鈦酸鉛陶瓷體連液體槽蓋板1只4、jx8測微目鏡及連接套（已裝配在一起）1只5、液體槽座1只6、高頻信號線2根7、備用保險絲1枚8、使用說明書 1份9、合格證（含測微目鏡的合格證） 1張選購件（詳見我公司產(chǎn)品價目表或圖片）：1、jjy1