利用光栅测量液体中的声速

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1、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

2、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

3、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。  

4、         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

5、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

6、、整理原始数            表1      待测液体：        温度:         ℃         测量条纹数=40条纹数Li第条纹读数值（㎜）条纹数Li+40第条纹读数值（㎜）测量距离Li+40-Li波长（㎜）1 41   2 42   3 43   4 44   5 45   6 46   7 47   8 48   9 49   10 50         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.

7、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2008-0