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液體中超聲波聲速的測(cè)定16Hz20kHz20Hz一、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康牧私獬暡ǖ漠a(chǎn)生方法及超聲光柵的原理測(cè)定超聲波在液體中的傳播速度二、 實(shí)驗(yàn)儀器分光計(jì),超聲光柵盒,鈉光燈,數(shù)字頻率計(jì),高頻振蕩器。三、 實(shí)驗(yàn)原理將某些材料(如石英、鈮酸鋰或鋯鈦酸鉛陶瓷等)就得到了最強(qiáng)的超聲波。超聲波在液體介質(zhì)中以縱波的形式傳播,其聲壓使液體分子呈現(xiàn)疏密相同的周期性分布,形成所謂疏密波,如圖1a)變化。若用N0
表示介質(zhì)的平均折射率,t 時(shí)刻折射率的空間分布為Ny,tN0
N
tKys s式中ΔN
是超聲波的波角頻率;Ks
是超聲波的波數(shù),它與超聲波波長(zhǎng)λ
的關(guān)系為K=2π/λ
。圖1b是某一時(shí)刻折射率的分布,這種分布狀態(tài)將隨時(shí)以超聲sss波的速度vs向前推進(jìn)。ss圖1 密度和折射率呈周期分布如果在超聲波前進(jìn)的方向上垂直放置一表面光滑的金屬反射器,那么,到達(dá)反射器表(縱駐波y軸正方向傳播,它們的表達(dá)式為 AtKys s AtKys s其合成波為 AtKy AtKy1 2 s s 1 s s利用三角關(guān)系可以求出2AcosKs
ycosts此式就是駐波的表達(dá)式。其中cos
t表示合成以后液體媒質(zhì)中各點(diǎn)都在各自的平衡位置附s近作同周期的簡(jiǎn)諧振動(dòng),但各點(diǎn)的振動(dòng)為AcosKy,即振幅與位置y有關(guān),振幅最大發(fā)s生在cosKy1處,對(duì)應(yīng)的yn/K n/2這些點(diǎn)稱為駐波s s s的波幅波幅處的振幅為相鄰波幅間距離為為/2振幅最小發(fā)生在cosKy0處,s s其中y(2n/4,這些點(diǎn)稱為波節(jié),如圖2中a、、c、d為節(jié)點(diǎn),相鄰波節(jié)間的距s離也為s
/2??梢姡v波的波腹與波節(jié)的位置是固定的,不隨時(shí)間變化。對(duì)于駐波的任意一點(diǎn),在某一時(shí)刻t=0時(shí),它兩邊的質(zhì)點(diǎn)都涌向節(jié)點(diǎn),使節(jié)點(diǎn)附近成為質(zhì)點(diǎn)密集區(qū);半周NN0
2N
ycosts s。圖2 t=0和t=T/2時(shí)刻振幅、折射率及質(zhì)點(diǎn)的疏密分布圖3喇曼-納斯衍射按照超聲頻率的高低和受聲光作用超聲場(chǎng)長(zhǎng)度的不同,聲光作用可分為兩種類型:喇曼3(即衍射光強(qiáng)度為最大的位置對(duì)稱地分布在零級(jí)極大位置的兩側(cè)。設(shè)第kθsin k 0,1,2,3...s k式中λ為光波波長(zhǎng)。超聲波在介質(zhì)中傳播的速度為v fs s式中f為振蕩電源的頻率。圖4實(shí)驗(yàn)原理圖超聲光柵實(shí)驗(yàn)的原理如圖4(如水間的距離,在液體中發(fā)射波與反射波疊加形成駐波,構(gòu)成超聲光柵。四、 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟調(diào)節(jié)分光計(jì)到正常測(cè)量狀態(tài)。4物臺(tái)上,使超聲波的傳播方向與入射波垂直。距離,以便觀察最佳的衍射條紋。測(cè)量高頻電壓頻率和衍射條紋的衍射角,并測(cè)出待測(cè)液體的溫度。五、 數(shù)據(jù)表格和數(shù)據(jù)處理衍射條紋的衍射角的測(cè)量mmmmm2 msv smvsvvs smsinsm左游標(biāo)右游標(biāo)液體溫度(℃)v svs求出該溫度下液體中的平均聲速。根據(jù)純水中聲速與溫度的關(guān)系:1557Tm/s求出實(shí)驗(yàn)室溫度下
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