超聲光柵測聲速實驗

PAGEPAGE6用超聲光柵測液體中的聲速1932年，德拜（Debge）和席爾斯（Sears）在美國以及陸卡（Hucas）和畢瓜（Biguand）在法國，分別獨立地首次觀察光在液體中的超聲波衍射的現(xiàn)象，從而提出了直接確定液體中聲速的方法?！緦嶒災康摹?、了解超聲致光衍射的原理2、學會一種利用超聲光柵測量超聲波在液體中傳播速度的方法?！緦嶒炘怼繂紊庋卮怪庇诔暡▊鞑シ较蛲ㄟ^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，如前進波被一個平面反射，會反向傳播。在一定條件下前進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1所示。圖1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λ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ι），槽中的液體就相當于一個衍射光柵。圖中行波的波長A相當于光柵常數(shù)。由超聲波在液體中產(chǎn)生的光柵作用稱作超聲光柵。當滿足聲光喇曼－奈斯衍射條件：時，式中L為聲束寬度，為聲波在介質(zhì)中的波長，為真空中的光波波長，這種衍射與平面光柵衍射類似，可得如下光柵方程（式中k為衍射級次，φk為零級與k級間夾角）：(1)在調(diào)好的分光計上，由單色光源和平行光管中的可調(diào)狹縫S與會聚透鏡（L1）組成平行光系統(tǒng)，如圖2所示。圖2WSG-I型超聲光柵聲速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)，用自準直望遠鏡中的物鏡（L2）和測微目鏡組成測微望遠系統(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2中可以看出，當很小時，有：(2)其中為衍射光譜零級至k級的距離，f為物鏡L2的焦距，所以超聲波波長：(3)超聲波在液體中的傳播速度：(4)式中的v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?！緦嶒瀮x器】WSG-I型超聲光柵聲速儀，單色光源（汞或鈉），JJY型分光計【實驗儀器介紹】WSG-I型超聲光柵聲速儀由超聲信號源、超聲池、高頻信號連接線、測微目鏡等組成，并配置了具有11MHz共振頻率的鋯鈦酸鉛陶瓷片。儀器的性能指標為：輸入電壓220V50Hz輸出信號頻率：8~12MHz工作頻率：9.5~11.5MHz測微目鏡測量范圍：8mm測量精度：0.01mmWSG-I型超聲光柵聲速儀的實驗裝置如圖3所示。液體槽（可稱其為超聲池）是一個長方形玻璃槽，它的兩個通過側(cè)面（窗口為）平行平面。液槽內(nèi)盛有待測液體（水或酒精）。液體槽通過液體槽座被放置在分光計的載物平臺上，其通光側(cè)面與平行光管光軸垂直。換能器為壓電陶瓷晶片，晶片兩面的引線與液體槽上蓋的接線柱相連。由超聲信號源輸出的高頻振蕩信號驅(qū)動鋯鈦酸鉛陶瓷片，產(chǎn)生的超聲波會在液體中形成穩(wěn)定的駐波，形成超聲光柵。超聲信號的共振頻率一般在11MHz左右。光源發(fā)出來的單色光經(jīng)過平行光管入射到液體槽上，被液體槽窗口出射的光經(jīng)望遠物鏡（JJY型分光計的物鏡焦距f=170mm）會聚在物鏡的后焦面上。用測微目鏡觀測由超聲光柵產(chǎn)生的衍射條紋。圖3WSG-I超聲光柵聲速儀及實驗裝置圖超聲信號源面板如圖3(b)所示。為保證儀器正常使用，儀器實驗時間不宜太長，以免振蕩線路過熱，所以在超聲信號源電源上設(shè)置了定時選擇開關(guān)，可見儀器的后面板。開啟超聲信號源電源前，先選擇定時時間。定時時間可選四檔，分別為60分鐘、90分鐘、120分鐘和不選定時。建議信號源定時功能設(shè)定為60分鐘為宜?！緦嶒瀮?nèi)容】1、分別測量幾種透明液體中的聲速。測量時注意：提供的液體包括蒸餾水、乙醇、甘油等，對每一種液體，至少要測量三級衍射條紋。更換液體時，一定要將液體槽擦拭干凈，以免影響測量準確度。根據(jù)表1中提供的數(shù)據(jù)，由(5)式計算當前溫度下不同液體中的聲速，與測量值比較，求取相對不確定度，并分析誤差產(chǎn)生的原因。(5)其中：是溫度為時液體中的聲速；是溫度系數(shù)。2、配置幾種不同濃度的蔗糖溶液，分別測量其中的聲速，繪制聲速與溶液濃度的關(guān)系曲線。配置溶液時，應保證溶液的潔凈度，懸浮顆粒的存在，會很大程度上影響測量效果。表1幾種不同透明液體中的聲速液體名稱溫度t0/℃聲速v0/ms-1溫度系數(shù)α/ms-1K-1苯胺201656-4.6丙酮201192-5.5苯201326-5.2蒸餾水2514972.5甘油201923-1.8煤油341295/甲醇201123-3.3乙醇201180-3.6【實驗步驟】調(diào)整分光計到使用狀態(tài)。調(diào)節(jié)望遠鏡使之適合于觀察平行光。調(diào)節(jié)望遠鏡的主光軸與分光計的轉(zhuǎn)軸中心垂直調(diào)節(jié)平行光管使之出射平行光，調(diào)節(jié)平行光管與望遠鏡同軸。調(diào)節(jié)載物臺與分光計的轉(zhuǎn)軸垂直。采用鈉光燈作光源。調(diào)節(jié)平行光管的狹縫至合適的寬度。將液體槽放置到分光計的載物平臺上，并且利用自準直法，調(diào)節(jié)平臺的傾角螺釘，使液體槽的通光表面垂直于望遠鏡和平行光管的光軸，即，使光路與液槽內(nèi)的超聲波傳播方向垂直。把待測液體（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，將液體槽蓋板蓋在液體槽上。先選擇定時時間為60分鐘，然后開啟超聲信號源電源。從阿貝目鏡觀察衍射條紋。仔細調(diào)節(jié)頻率微調(diào)鈕，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，記錄此時的信號源的頻率。觀察液體中超聲光柵的衍射現(xiàn)象。為使單色平行光垂直于超聲波的傳播方向，可微調(diào)載物平臺，使觀察到的衍射光譜左右對稱，各級譜線亮度一致。經(jīng)過上述仔細調(diào)節(jié)，一般應觀察到±3級以上的衍射譜線。取下阿貝目鏡，換上測微目鏡，調(diào)焦目鏡，看清分劃線。然后以平行光管出射的平行光為準，對望遠鏡的物鏡進行調(diào)焦，使平行光管的狹縫像清晰。記錄液體的溫度（室溫）。用測微目鏡沿一個方向移動，逐級測量鈉黃光各級衍射譜線的相對位置，并用逐差法求出條紋間距的平均值。計算液體中的聲速。【注意事項】1、鋯鈦酸鉛陶瓷片未放入有媒質(zhì)的液體槽前，禁止開啟信號源。鋯鈦酸鉛陶瓷片表面與對應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。2、實驗過程中應避免震動，以使超聲在液槽內(nèi)形成穩(wěn)定的駐波，也不要碰觸連接超聲池和高頻信號源的兩條導線，導線分布電容的變化會對輸出電頻率有微小影響。3、一般共振頻率在11.3MHz左右，WSG-I超聲光柵儀給出10－12MHz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是穩(wěn)定的，最多只有最末尾有1－2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，從而回影響測量精度，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，應及時補充液體至正常液面線處；7、實驗完畢應將超聲池內(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)；【數(shù)據(jù)表格和數(shù)據(jù)處理】測量純凈水的聲速實驗溫度：光波長物鏡焦距共振頻率衍射條紋級次-4-3-2-101234衍射條紋位置衍射條紋的間距=純凈水中的聲速=測量酒精的聲速實驗溫度：光波長物鏡焦距共振頻率衍射條紋級次-4-3-2-101234衍射條紋位置衍射條紋的間距=純凈水中的聲速=【思考題】1、本實驗如何保證平行光