液体中超声波声速的测定实验报告.doc

液体中超声波声速的测定人耳能听到的声波其频率在16Hz到20kHz范围内。超过20Hz的机械波称为超声波。光通过受超声波扰动的介质时会发生衍射现象这种现象称为声光效应。利用声光效应测量超声波在液体中传播速度是声光学领域具有代表性的实验。实验目的了解超声波的产生方法及超声光栅的原理测定超声波在液体中的传播速度实验仪器分光计超声光栅盒钠光灯数字频率计高频振荡器。实验原理将某些材料（如石英、铌酸锂或锆钛酸铅陶瓷等）的晶体沿一定方向切割成晶片在其表面上加以交流电压在交变电场作用下晶片会产生与外加电压频率相同的机械振动这种特性称为晶体的反压电效应。把具有反压电效应的晶片置于液体介质中当晶片上加的交变电压频率等于晶片的固有频率时晶片的振动会向周围介质传播出去就得到了最强的超声波。超声波在液体介质中以纵波的形式传播其声压使液体分子呈现疏密相同的周期性分布形成所谓疏密波如图1a)所示。由于折射率与密度有关因此液体的折射率也呈周性变化。若用N0表示介质的平均折射率t时刻折射率的空间分布为式中ΔN是折射率的变化幅度；ωs是超声波的波角频率；Ks是超声波的波数它与超声波波长λs的关系为Ks=2π/λs。图1b是某一时刻折射率的分布这种分布状态将随时以超声波的速度vs向前推进。图1密度和折射率呈周期分布如果在超声波前进的方向上垂直放置一表面光滑的金属反射器那么到达反射器表面的超声波将被反射而沿反向传播。适当调节反射器与波源之间的距离则可获得一共振驻波（纵驻波）。设前进波与反射波分别沿y轴正方向传播它们的表达式为其合成波为利用三角关系可以求出此式就是驻波的表达式。其中表示合成以后液体媒质中各点都在各自的平衡位置附近作同周期的简谐振动但各点的振动为即振幅与位置y有关振幅最大发生在处对应的（n=0123……）这些点称为驻波的波幅波幅处的振幅为2A相邻波幅间距离为为。振幅最小发生在处其中这些点称为波节如图2中a、b、c、d为节点相邻波节间的距离也为。可见驻波的波腹与波节的位置是固定的不随时间变化。对于驻波的任意一点a在某一时刻t=0时它两边的质点都涌向节点使节点附近成为质点密集区；半周期后节点两边的质点又向左右散开使波节附近成为稀疏区。在同一时刻相邻波节附近质点密集和稀疏情况正好相反。与此同时随着液体密度的周期变化其折射率也呈周期变化密度相等处其折射率也相等这时折射率的空间分布为从式中可以看出液体中各点的折射率是按正弦规律分布的当光从垂直于超声波的传播方向透过超声场后会产生衍射这一现象如同光栅衍射所以超声波作用的这一部分介质可看成是一等效光栅称为超声光栅。光栅常数为两个相邻等密度处的距离即超声波的波长λs。图2t=0和t=T/2时刻振幅、折射率及质点的疏密分布图3喇曼-纳斯衍射按照超声频率的高低和受声光作用超声场长度的不同声光作用可分为两种类型：喇曼-奈斯衍射和布喇格衍射。本实验采用喇曼-奈斯衍射如图3所示。平行光垂直入射光栅时将产生多级衍射光且各级衍射极大（即衍射光强度为最大的位置）对称地分布在零级极大位置的两侧。设第k级衍射极大对应的衍射角为θk则有式中λ为光波波长。超声波在介质中传播的速度为式中f为振荡电源的频率。图4实验原理图超声光栅实验的原理如图4所示。在超声光栅盒中的压电晶体两端加高频电压压电晶体在交变电场作用下发生周期性的压缩伸长即产生机械振动。当外加交变电场频率达到压电晶体的固有频率时晶体会发生共振现象这时机械振动的振幅达到最大值。超声波从晶体表面发射经过待测介质（如水）后在超声盒的反射器反射适当调节压电晶体与反射器之间的距离在液体中发射波与反射波叠加形成驻波构成超声光栅。实验内容与步骤调节分光计到正常测量状态。按照图4将线路连接好在超声光栅盒中加入适当的水将超声光栅盒放在分光计的载物台上使超声波的传播方向与入射波垂直。确定高频电压的频率。适当调节高频电压的频率微微调节压电换能器与反射器之间的距离以便观察最佳的衍射条纹。测量高频电压频率和衍射条纹的衍射角并测出待测液体的温度。数据表格和数据处理衍射条纹的衍射角的测量m（m/s)(m/s)左游标1绿290°22’289°55’13.5’10.221421-591紫290°19’289°59’10’1422-582绿290°37’289°44’26.5’1448-322蓝290°30’289°47’21.5’1424-563绿290°47’289°33’37’155676右游标1绿110°20’109°55’12.5’1535551紫110°16’109°56’9.5’1497172绿110°32’109°41’25.5’1505252蓝110°29’109°47’21’1458-22