实验四十四 超声光栅实验.lab

FB760-8型 超声光栅实验仪

实 验 讲 义

杭州精科仪器有限公司

一：【实验目的】

1． 了解声光效应的原理；

2． 掌握利用声光效应测定液体中声速的方法。

二：【实验背景】

1922年布里渊（L·Brillouin）曾预言，当高频声波在液体在传播时，

如果有可见光通过该液体，可见光将产生衍射效应。这一预言在10年后被验证，这一现象被称作声光效应。1935年，拉曼（Raman）和奈斯（Nath）对这一效应进行研究发现，在一定条件下，声光效应的衍射光强分布类似于普通的光栅，所以也称为液体中的超声光栅。 三：【实验原理】

压电陶瓷片（PZT）在高频信号源（频率约10MHz）所产生的的交变电场

的作用下，发生周期性的压缩和伸长振动，其在液体中的传播就形成超声波，当一束平面超声波在液体中传播时，其声压使液体分子作周期性变化，液体的局部就会产生周期性的膨胀与压缩，这使得液体的密度在波传播方向上形成周期性分布，促使液体的折射率也做同样分布，形成了所谓疏密波，这种疏密波所形成的密度分布层次结构，就是超声场的图象，此时若有平行光沿垂直于超声波传播方向通过液体时，平行光会被衍射。以上超声场在液体中形成的密度分布层次结构是以行波运动的，为了使实验条件易实现，衍射现象易于稳定观察，实验中是在有限尺寸液槽内形成稳定驻波条件下进行观察，由于驻波振幅可以达到行波振幅的两倍，这样就加剧了液体疏密变化的程度。

当驻波形成以后，某一时刻t，驻波某一节点两边的质点涌向该节点，

使该节点附近成为质点密集区，在半个周期以后，t+T/2，这个节点两边的质点又向左右扩散，使该波节附近成为质点稀疏区，而相邻的两波节附近成为质点密集区。图1 为在t和t+T/2（T为超声振动周期）两时刻振幅y、液体疏密分布和折射率n的变化分析。由图1可见，超声光栅的性质是，在某一时刻

t，相邻两个密集区域的距离为，为液体中传播的行波的波长，而在半个周期以后，t+T/2。所有这样区域的位置整个漂移了一个距离/2，而在其它时刻，

波的现象则完全消失，液体的密度处于均匀状态。超声场形成的层次结构消失，在视觉上是观察不到的，当光线通过超声场时，观察驻波场的结果是，波节为暗条纹（不透光），波腹为亮条纹（透光）。明暗条纹的间距为声波波长的一半，即为λ/2。由此我们对由超声场的层次结构所形成的超声光栅性质有了了解。当平行光通过超声光栅时，光线衍射的主极大位置由光栅方程决定。

dsinkk （k=0，1，2，……） （1）

由于本实验中光栅常数d就是声波的波长s所以方程可以写为： ssinkk光 （k=0，1，2，……） （2）

其中光是入射光的波长。光路图如图2

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图1

图2

实际上由于角很小，可以近似认为：

sinklk/f声波的波长

（3）

其中lk为衍射零级光谱线至第k级光谱线的距离，f为L2透镜的焦距，所以超

k光sflk2

（4）

超声波在液体中的传播速度：

vs （5）

式中为信号源的振动频率。 四：【实验仪器】

超声光栅实验仪（数字显示高频功率信号源，内装压电陶瓷片PZT的液槽）、钠灯、，测微目镜、透镜及可以外加液体（如矿泉水）。仪器装置见图3

图3

五：【实验内容】

1．步骤如下：，点亮钠灯，照亮狭缝，并调节所有器具同轴。

2.液槽内充好液体后，连接好液槽上的压电陶瓷片与高频功率信号源上的连线，将液槽放置到载物台上，且使光路与液槽内超声波传播方向垂直。

3．调节高频功率信号源的频率（数字显示）和液槽的方位，直到视场中出现稳定而且清晰的左右各二级以上对称的衍射光谱（最多能调出4级），再细调频率，使衍射的谱线出现间距最大，且最清晰的状态，记录此时的信号源频率。

4.用测微目镜，对矿泉水液体的超声光栅现像进行观察，测量各节谱线到另节的位置读数，注意旋转螺纹的方向一致，防止产生空程误差。利用公式4

求出超声波的波长。 5．数据表： 数据表 K +4 +3 +2 +1 0 -1 -2

LK (LKLK1) (LKLK2)/2 (LKLK3)/3 (LKLK4)/4 3

-3 -4 4级测量 L1(LKLK1)(LKLK2)/2(LKLK3)/3(LKLK4)/4 20 3级测量 L类推 ……

1(LKLK1)(LKLK2)/2(LKLK3)/3 12s光Lf （光5nm）

液体中声速的测量：

CfS

误差

ECC理论C理论100%C14801480100%

【附 录】 1． 一些参数：

20℃时，水（H2O）中标准声速vS=1480.0m/s 2． 测微目镜简介：

测微目镜是带测微装置的目镜，可作为测微显微镜和测微望远镜等仪器的部件，在光学实验中有时也作为一个测长仪器使用（例如测量非定域干涉条纹的间距）。图3（a）是一种常见的丝杠式测微目镜的结构剖面图。鼓轮转动时通过传动螺旋推动叉丝玻片移动；鼓轮反转时，叉丝玻片因受弹簧恢复力作用而反向移动。有100个分格的鼓轮每转一周，叉丝移动1mm，所以鼓轮上的最小刻度为0.01mm。图3（b）表示通过目镜看到的固定分划板上的毫米尺、可移动分划板上的叉丝与竖丝以及被观测的几条干涉条纹。

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图4（a） 图4（b）

例：为了测量干涉条纹中的10个明（或暗）条纹距离，可以使叉丝和竖丝对准第n个明（或暗）条纹，先读毫米标尺上的整数，再加上鼓轮上的小数，即为该条纹的位置A。再慢慢移动叉丝和竖丝，对准第n+10个明（或暗）条纹，得到位置B。若A=2.735mm, B=4.972mm, 则11个条纹间的10个距离就是:

10△x = B-A = 4.972-2.375 = 2.237mm。

测微目镜的结构很精密，使用时应注意：虽然分划板刻尺是0-8mm，但一般测量应尽量在1-7mm范围内进行，竖丝或叉丝交点不许越出毫米尺刻线之外，这是为保护测微装置的准确度所必须遵守的规则。

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