用超声光栅测液体中的声速
实验八 超声光栅测液体中的声速
图2
实际上由于角很小，可以认为：
（2）
其中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，所以超声波的波长
（3）
超声波在液体中的传播速度：
【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。
【学史背景】
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。
3.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，将液槽放置到分光计的载物台上，且使光路与液槽内超声波传播方向垂直。
4．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至少各二级以上对称的衍射光谱，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。
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
图3（a） 图3（b）
1-复合目镜； 2-固定的毫米刻度玻片；
3-可动的叉丝玻片； 4-传动螺旋；
超声光栅测量声速
用超声光栅测定液体中的声速一、实验目的（1）学习声光学实验的设计思想及其基本的观测方法。
（2）测定超声波在液体中的传播速度。
（3）了解超声波的产生方法。
二、仪器用具分光计，超声光栅盒，高频振荡器，数字频率计，纳米灯。
三、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。
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=0，1，2，3……）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。
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。
超声光栅测液体中的声速
超声光栅测液体中的声速【引言】1922年布里渊曾预言，当高频超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。
1935年，拉曼和奈斯对这一效应进行研究发现，在一定条件下，其衍射光强分布类似于普通的光栅。
当超声波在介质中传播时，使介质产生弹性应力或应变，导致介质密度的空间分布出现疏密相间的周期性变化，从而导致介质的折射率相应变化，光束通过这种介质，就好像通过光栅一样，会产生衍射现象，这一现象被称作声光效应（又叫做超声致光衍射）。
人们把这种载有超声的透明介质称为超声光栅。
利用超声光栅可以测定超声波在介质中的传播速度。
【摘要】超声波作为一种纵波在液体中传播时，超声波的声压使液体分子产生周期性变化，促使液体的折射率也相应的作周期性变化，形成疏密波。
平行单色光沿垂直于超声波方向通过疏密相间的液体是会被衍射，就形成超声光栅。
超声波传播时，如前进波被一个平面反射，会反向传播。
在一定条件下前进波与反射波叠加而形成超声频率的纵向振动驻波。
由于驻波的振幅可以达到单一行波的两倍，加剧了波源和反射面之间液体的疏密变化程度。
单色平行光λ沿着垂直于超声波传播方向通过上述液体时，因折射率的周期变化使光波的波阵面产生了相应的位相差，经透镜聚焦出现衍射条纹。
被超声光栅衍射后，自液体槽窗口出射的光，经望远镜物镜会聚在物镜的后焦面上。
用测微目镜观测由超声光栅产生的衍射条纹。
这样通过计算就能利用超声光栅衍射测量出液体中的声速了。
【实验目的】1.了解超声光栅产生的原理。
2.了解声波如何对光信号进行调制3.通过对液体（非电解质溶液）中的声速的测定，加深对其中声学和光学物理概念的理解。
【实验原理】1.超声光栅光波在介质中传播时被超声衍射的现象，称为超声致光衍射（亦称声光效应）。
超声波作为一种纵波在液体中传播时，超声波的声压使液体分子产生周期性变化，促使液体的折射率也相应的作周期性变化，形成疏密波。
利用光栅测量液体中的声速
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。
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。
利用超声光栅测定液体中的声速(精)
利用超声光栅测定液体中的声速实验简介：光通过处在超声波作用下的透明介质时发生衍射的现象称作声光效应。
1922年布里渊(Brillouin,L.1889—1969)曾预言液体中的高频声波能使可见光产生衍射效应，10年后被证实。
1935年拉曼（Raman,C.V.1888—1970）和奈斯（Nath）发现，在一定条件下，声光效应的衍射光强分布类似于普通光栅的衍射。
这种声光效应称作拉曼—奈斯衍射，他提供了一种调控光束频率、强度和方向的方法。
本实验要求在理解超声光栅基本原理的基础上掌握实验的调节和测量方法。
实验目的：1、了解超声光栅产生的原理。
2、了解声波如何对光信号进行调制。
3、通过对液体（非电解质溶液）中的声速的测定，加深对其概念的理解。
实验仪器：超声光栅实验仪（数字显示高频功率信号源及内装压电陶瓷片的液槽）、分光计、低压汞灯、温度计。
实验原理：1、超声光栅的形成汞灯超声池分光计在透明介质中传播的超声波使介质的局部发生周期性的压缩与膨胀，以至密度随之发生相应的变化，某时刻，纵驻波的任一波节两边成为质点密集区，而相邻的波节处为质点稀疏区；半个周期后两个节点附近的质点又向两边散开变为稀疏区，相邻波节处变为密集区。
稀疏区作用使介质折射率减小，而压缩作用使介质折射率增大（如图1所示）。
单色平行光束沿着垂直于超声波传播方向通过槽中的液体时，因超声波的波长很短，只要槽足够宽，槽中的液体就像一个衍射光栅，途中的声波波长Λ就相当于光栅常数。
2、光栅常数的测量及声速的计算：根据光栅方程，衍射的主极大（光谱线）由下式确定：sin()(2,1,0,1,2,)k k k ϕλΛ==--其中λ为光源波长，k 为干涉级数，k ϕ为光栅衍射零级至k 级光谱的夹角。
超声的实验光路图如图2所示，实际上因ϕ角很小，可以认为k k ϕλΛ= 所以超声波波长/k k λϕΛ=t2T t + 图1 在t 和2T t +（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 的变化图2 超声光栅衍射光路12超声光栅在液体中的传播速度V f式中：f是高频功率信号源与压电陶瓷的共振频率。
超声光栅测声速实验（全）
超声光栅测声速实验（全）超声光栅测声速一、实验目的1. 了解超声光栅的产生原理。
2. 了解声波如何对光信号进行调制。
3. 通过对液体中声速的测定，加深对声学光学中物理概念的理解。
二、实验原理光波在介质中被超声光栅衍射的现象，被称为超声致光衍射。
超声波作为一种纵波在液体中传播时，超声波的声压使液体分子产生周期性的变化，促使液体折射率也作出相应的变化，形成疏密波。
当产生驻波时，波节处变为密集区，其作用使液体折射率减小，压缩作用使液体折射率增大。
形成类似于光栅的作用。
当满足拉曼-奈斯衍射条件：22/1l A πλ<<时这种衍射相似于平行光栅衍射，可得如下光栅方程：k ASin k φλ=在调好的分光计上，且当k φ很小时，有：/k k Sin l f φ=其中，k l 为衍射零级谱至k 级的距离；f 为透镜焦距。
所以超声波波长：k kk k f A Sin l λλφ== 超声波在液体中的传播速度：k f v A l λγυ==?其中υ是振荡器的共振频率，k l ?为同一色光衍射条纹间距。
三、实验步骤1．分光计的调整，用自准法使望远镜聚焦于无穷远，目镜调节使看清分划板刻线，实验过程中无需调节。
2．采用低压汞灯作光源。
3．将待测液体注入，液面高度以刻线为准。
4．将此液体槽置于载物台上，放置时使超声池表面两侧基本垂直于望眼镜和平行光管的光轴。
5．连接号电路，开启超声信号电源，观察衍射条纹，微调信号的频率，使条纹级次明显增多和清晰。
6．观察到3~4级以上的衍射条纹使，取下阿贝目镜，换上测微目镜，分别测出不同颜色条纹的间距。
7．计算公式为：c k f v l λγ=四、数据处理1、纯净水Y =1.38502.1320 2.91503.68104.4150L =1.48502.1950 2.91503.64504.3450B =1.71802.2950 2.91503.47004.0950黄光间距均值绿光间距均值蓝光间距均值1.0e-003 *0.7632 0.7183 0.5920黄光标准差绿光标准差蓝光标准差1.2032 0.9376 0黄光声速绿光声速蓝光声速1.0e+003 *1.5051 1.5108 1.4629相对误差0.0150 0.0188 -0.01352、酒精Y =1.15102.11603.0090 3.97104.9210L =1.27002.18103.0090 3.89104.8310B =1.67502.29903.0090 3.67504.4550黄光间距均值绿光间距均值蓝光间距均值1.0e-003 *0.9375 0.8785 0.6927黄光标准差绿光标准差蓝光标准差1.4856 1.0974 0黄光声速绿光声速蓝光声速1.0e+003 *1.2273 1.2375 1.2525相对误差0.0508 0.0595 0.0723五、实验心得这次实验又一次使我看到了光的波动性在精确测定微小值时的准确性，这次利用的是光栅衍射的特性，又一次让我感受到了光学原理的重要应用。
利用超声光栅测定液体中的声速
利用超声光栅测定液体中的声速
超声光栅是一种利用光栅衍射原理和声光相互作用来measure声波速度的技术。
该技
术主要可以应用于测量液体中声速的测量中。
液体中声速的测量是工业生产中必不可少的
一个步骤，因为声速的测量可以确定物体的密度和弹性模量，从而为质量控制，分析和研
究提供了依据和指导。
超声光栅的原理主要是利用原理能够将声波转换成光波，然后通过光栅进行测量。
在
测量过程中，超声光栅产生了声波激励信号，并将激励信号发送到液体中以产生反射信号。
反射信号被传送回光栅中，通过测定光栅内的干涉模式，就可以确定传播时间来测量声波
速度。
超声光栅的测量过程必须保持实验室空气的温度和湿度，并且必须高度稳定以确保最
高的测量精度。
为此，超声光栅的测量需要在恒温箱内进行。
此外，校准幅度，时间分辨
率和分辨率的参数是优化测量精度的关键因素。
超声光栅测量的准确度与用于声波产生的激励信号所采用的技术和用于检测反射信号
的光学探测器有关。
准确的超声激励信号可以产生更稳定的声波信号，并且都可以对检测
解像能力产生影响。
此外，检测器的分辨率越高，就可以检测到反射信号中更小的时间
差异，从而提高测量精度。
总的来说，超声光栅技术是测量液体中声速的可靠和精确的方法。
通过使用此技术，
可以获得精度高，重复性好的声速值，这可以应用于工业生产和科学研究中的质量控制测量。
此外，超声光栅测量仪器也可以用于其他应用中的测量，例如测量固体材料的声波
速度等。
(推荐)超声光栅
实验47 利用超声光栅测定液体中的声速1921年法国物理学家布里渊（L.Brillouin 1889-1969）曾预言液体中的高频声波能使可见光产生衍射，1935年拉曼（C.V.Raman 1888-1970）和奈斯（Nath ）证实了布里渊的设想。
【实验目的】1． 学习测量声速的一种方法 2． 了解超声光栅的衍射原理3． 熟悉仪器调整【实验原理】 众所周知，声波最显著的特征是它的波动性，它在盛有液体的玻璃槽中传播时，液体将被周期性压缩、膨胀，形成疏密波。
声波在传播方向被垂直端面反射，它又会反向传播。
当玻璃槽的宽度恰当时，入射波和反射波会叠加形成稳定的驻波，由于驻波的振幅是单一行波振幅的2倍，因而驻波加剧了液体的疏密变化程度，如图47-1所示。
描述声波有三个特征量：波长Λ，声速u ，频率ν。
它们之间满足关系u ＝Λ*ν。
一般我们事先知道声波频率ν，因此求声速实际上是求波长Λ。
对于疏密波，波长Λ等于相邻两密部的距离。
布里渊认为，一个受超声波扰动的液体很像一个左右摆动的平面透射光栅，它的密部就相当于平面光栅上的刻痕，不易透光；疏部就相当于平面光栅上相邻两刻痕之间的透光部分，它就是一个液体光栅，或称超声光栅，超声波波长Λ正是光栅常数（a +b ）。
从图47-2可知，平面光栅的左右摆动并不影响衍射条纹的位置，因为各级衍射条纹完全由光栅方程描述，而不是由光栅位置确定。
因此当平行光沿着垂直于超声波传播方向通过受超声波扰动的液体时，必将发生衍射，并且可以通过测量衍射条纹的位置来确定超声波波长Λ，即Λsin φ＝k （k =0,±1, ±2, …）其中k 为衍射条纹的级次，φ为k 级条纹的衍射角，为平行光波长。
当φ小于50时Λ≈k tg φ= k f l k = f l 1 = f Δ l其中f 为透镜的焦距，l k 为k 级条纹与0级条纹的距离，l 1为1级条纹与0级条纹的距离。
由于单次测量随机误差较大，因此实验中常常进行多次测量，即测出各级衍射条纹的位置坐a b ϕ(a +b )sin ϕa b平 行 光 图47-2 平面透射光栅的衍射 图47-1 液体在不同时刻的疏密发布波节 t =3T /4反 射面 x y yx t =0t =T /4t =T /2 t =T 密 疏 疏 密 疏密 疏 密 疏 密 波节 波节 波节 Λ/2 Λ/2 Λ/2 Λ/2 波节标，然后采用逐差法求出各级衍射条纹的平均间隔Δ l，用Δ l代替l1。
超声光栅测液体中的声速
超声光栅测液体中的声速王涛苏州大学物理(师范) 0908406025摘要：分析了超声光栅的形成原理,并利用超声光栅测量纯净水中声速。
关键词：超声光栅;液体声速;螺旋测微装置引言:声光效应是指光通过某一受到超声波扰动的介质时发生的衍射现象，这种现象是光波与介质中声波相互作用的结果。
早在1922年，布里渊（L.Brillouin）就预言：“当高频声波在液体内传播时，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年后得到了验证：1935年，拉曼（Raman）和奈斯（Nath）通过大量的实验研究后发现，在一定条件下，当可见光通过某一受到超声波作用的介质时，的确可以观察到很明显的衍射现象，并且衍射条纹的光强分布类似于普通光栅，所以也称该介质为超声光栅。
一、实验原理1、超声光栅形成原理超声波是一种机械应力波，设超声行波以平面纵波的形式沿x轴正方向传播,其波动方程可描述为y(x,t)＝A c o s2π(t/T s－x/Λ)式中，y代表各质点沿x轴方向偏离平衡位置的位移，A表示质点的最大位移（振幅），T s为超声波的周期，Λ为超声波波长。
当这一超声行波在液体中传播时，会造成液体的局部压缩和伸长而产生弹性应变。
液体会被周期性地压缩或膨胀，同时其密度也会发生周期性的变化。
压缩作用会使液体的局部密度变大，膨胀作用会使液体的局部密度变小。
这样就形成了疏密波。
这种液体的局部密度周期性变化必然导致液体折射率和相位的周期性变化，而形成超声相位光栅。
这一超声行波形成的超声相位光栅，栅面是在空间随时间移动的。
因为是行波，折射率的周期性分布是以声速v s向前推进的，可表示为n(x,t)＝n0＋Δn c o s2π(t/T s－x/Λ)折射率的增量Δn（x,t）＝Δn c o s2π(t/T s－x/Λ)是按余弦规律变化的。
如果超声波被玻璃水槽的一个平面反射，又会反向传播。
当反射平面距波源为波长1/4倍时，入射波和反射波分别为y1(x,t)＝A c o s2π(t/T s－x/Λ)y2(x,t)＝A c o s2π(t/T s＋x/Λ)两者叠加后得y(x,t)＝y1＋y2＝2A c o s（2πx/Λ）cos（2πt/T s)该式说明叠加的结果为一驻波。
超声光栅测声速实验
用超声光栅测液体中的声速1932年，德拜（Debge）和席尔斯（Sears）在美国以及陆卡（Hucas）和毕瓜（Biguand）在法国，分别独立地首次观察光在液体中的超声波衍射的现象，从而提出了直接确定液体中声速的方法。
【实验目的】1、了解超声致光衍射的原理2、学会一种利用超声光栅测量超声波在液体中传播速度的方法。
【实验原理】单色光沿垂直于超声波传播方向通过这疏密相同的液体时，就会被衍射，这一作用，类似光栅，所以称为超声光栅。
超声波传播时，如前进波被一个平面反射，会反向传播。
在一定条件下前进波与反射波叠加而形成超声频率的纵向振动驻波。
由于驻波的振幅可以达到单一行波的两倍，加剧了波源和反射面之间液体的疏密变化程度。
某时刻，纵驻波的任一波节两边的质点都涌向这个节点，使该节点附近成为质点密集区，而相邻的波节处为质点稀疏处；半个周期后，这个节点附近的质点有向两边散开变为稀疏区，相临波节处变为密集区。
在这些驻波中，稀疏作用使液体折射率减小，而压缩作用使液体折射率增大。
在距离等于波长A的两点，液体的密度相同，折射率也相等，如图1所示。
图1 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的变化单色平行光λ沿着垂直于超声波传播方向通过上述液体时，因折射率的周期变化使光波的波阵面产生了相应的位相差，经透镜聚焦出现衍射条纹。
这种现象与平行光通过透射光栅的情形相似。
因为超声波的波长很短，只要盛装液体的液体槽的宽度能够维持平面波（宽度为ι），槽中的液体就相当于一个衍射光栅。
图中行波的波长A 相当于光栅常数。
由超声波在液体中产生的光栅作用称作超声光栅。
当满足声光喇曼－奈斯衍射条件：202/L πλΛ<<时，式中L 为声束宽度，Λ 为声波在介质中的波长，0λ 为真空中的光波波长，这种衍射与平面光栅衍射类似，可得如下光栅方程（式中k 为衍射级次，φk 为零级与k 级间夹角）：sin k k φλΛ= (1)在调好的分光计上，由单色光源和平行光管中的可调狭缝S 与会聚透镜（L 1）组成平行光系统，如图2所示。
超声光栅测液体中的声速
超声光栅测液体中的声速概述声速是液体的一项重要属性，液体的声速可以通过超声光栅的测量来得到。
本文将介绍超声光栅测液体中的声速的原理、测量方法和注意事项等内容。
超声光栅的概念超声光栅是一种基于光的测量技术。
光栅是一个由许多平行的直线构成的光学元件，光栅的周期性结构会对传播的光线产生衍射现象。
通过观察衍射图案的变化，可以得到待测物体的一些参数信息。
超声光栅就是将光栅和超声波技术相结合的一种仪器。
声速的定义声速是声波在介质中传播的速度，其数值与介质的物理特性有关。
在液体中，声速的大小与温度、压力、密度等因素有关。
超声光栅测量液体中的声速的原理超声光栅测量液体中的声速的原理是在超声波传播过程中，光栅会对超声波产生衍射，其衍射图案的变化与超声波在液体中传播的速度有关。
此外，声波在液体中传播的速度与液体的温度、压力、密度等有关系。
因此，通过测量超声光栅对声波衍射图案的变化，可以计算出液体中声波的速度，从而得到液体的声速。
超声光栅测量液体中的声速的方法超声光栅测量液体中的声速的方法主要包括以下几个步骤：1.准备测试液体：选择待测试的液体，并将其放置在超声光栅的测量范围内。
需要注意的是，液体的温度、压力和密度等参数应该测量并记录下来。
2.开始测量：打开超声光栅仪器，启动声波发生器向液体中发送高频率的声波信号。
同时，超声光栅仪器会在液体中创建一个光栅，该光栅会对超声波产生衍射现象。
通过测量衍射图案的变化，可以计算出声波在液体中传播的速度。
3.结束测量：当测量完成后，需要关闭超声光栅仪器，将测试液体从超声光栅的测量范围内完全清除。
注意事项1.测量时需要保证液体的温度、压力和密度等参数的稳定性。
2.超声光栅测量液体中的声速时，需要将液体放在超声光栅的测量范围内并保证液体不发生流动或振动。
3.在使用超声光栅仪器时，需要避免与其他电磁波源产生干扰。
4.当使用超声光栅测量液体中的声速时，需要注意超声波的频率和发射角度。
过高的频率或发射角度会导致测量误差。
超声光栅测液体声速
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2λ。
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v 可由频率计测得，其波长λ可由驻波像的间隔测得，根据关系式（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λ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NY2=λ （2）由公式（1）和（2）得到最后测量公式NvL2=v （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。
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。
利用超声光栅测液体中的声速实验报告
利用超声光栅测液体中的声速实验报告实验目的本实验旨在利用超声光栅测量液体中的声速，通过实验数据分析和处理得出液体的声速数值。
实验器材1. 超声光栅装置2. 液体样品3. 音频存储器4. 计算机实验原理超声光栅是一种利用超声波的干涉现象来测量物体长度的仪器。
在本实验中，超声光栅装置会在液体样品中产生一系列的超声波信号。
这些声波信号会在液体中传播，并与液体内的界面或粒子发生反射、折射等现象，形成了一条声波测量路径。
当这些声波重新回到超声光栅装置时，会在探测点处形成一种特定的声场分布。
通过对这个声场的分析，我们可以获取液体中声波的传播速度。
实验步骤1. 将液体样品放置在超声光栅装置之中。
2. 打开设备电源，调整超声光栅装置的工作频率和功率。
3. 启动音频存储器，用于记录超声波信号。
4. 开始测量，观察音频存储器上的波形图，并记录相应的数据。
5. 重复上述步骤，测量不同位置的声场数据。
数据处理与分析根据实验测得的数据，我们可以利用超声光栅装置的声场特性，通过数学运算和模型拟合来求解液体中声波的传播速度。
常见的求解方法包括反射法、折射法、残差法等。
在实验中，我们将采用反射法。
实验结果与讨论根据数据处理和分析，得到了液体中声波的传播速度为XXX m/s。
与理论值进行对比，可以发现实验结果与理论值存在一定的偏差。
这可能是由于实际操作中存在的系统误差、实验设备的限制以及液体本身的特性等因素所引起。
当然，通过改进实验方法和提高设备精度，可以进一步改善实验结果的准确性。
结论通过本实验，利用超声光栅测量了液体中声波的传播速度，并通过数据处理和分析得到了实验结果。
实验结果展示了该实验方法的可行性。
然而，还需要进一步研究和改进来提高实验的准确性和精度。
超声光栅测液体中的声速实验报告
实验报告实验名称：超声光栅测液体中的声速专业班级：组别：姓名：学号：合作者：日期：2.根据表1中的测量数据得表2表2衍射条纹的平均间距与对应的声速mm/x ∆30--x x 21--x x 12--x x 03x x -x∆)s (m -1⋅υ)s (m 1-⋅声V 黄(y) 2.189 2.190 2.162 2.0810.71851427.741430.62绿(g) 2.027 2.041 2.000 2.0160.67371438.65蓝(b)1.6681.6171.6401.5860.54261425.46（1）声V 的计算过程)s (m 74.1427100.7185101701010.4410578.03--36-9=⨯⨯⨯⨯⨯⨯=∆=y y x f νλv )s (m 1438.65100.6737101701010.4410546.13--36-9=⨯⨯⨯⨯⨯⨯=∆=g x f νλg v )s m 1425.46(100.5426101701010.4410435.83--36-9=⨯⨯⨯⨯⨯⨯=∆=b b x f νλv )s m (62.430131425.461438.651427.743=++=++=b g y v v v V （2）V U 的计算过程z0.02MH U v =∆=仪4mm00.0=∆=仪x U )mm (00094.0004.0626212822=⨯===∆x x x U U U 根据，22⎪⎪⎭⎫⎝⎛∆-+⎪⎭⎫ ⎝⎛=∆x U v U U x v υυ)s m (3122.37185.00.0009410.440.021427.7422=⎪⎭⎫⎝⎛+⎪⎭⎫ ⎝⎛=yU υ颜色平行光通过透射光栅的情形相似。
因为超声波的波长很短，只要盛装液体的液体槽的宽度能够维持平面波，槽中的液体就相当于衍射光栅。
2.如何解释本实验衍射的中央条纹与各级谱线的距离随超声信号源频率的高低变化而增加或减小的现象？答：由光栅方程：)m/s (sin )(λθk b a ±=+可知：频率越高声波长越短，光栅常数愈小，衍射角越大条纹间距增加。
超声光栅测量声速实验报告
超声光栅测量声速实验报告一、实验目的1、了解超声光栅产生的原理。
2、学会使用超声光栅测量液体中的声速。
3、掌握分光计的调节和使用方法。
二、实验原理当一束平面超声波在液体中传播时，液体的疏密会发生周期性变化，其折射率也相应地发生周期性变化，形成超声光栅。
设超声波的波长为λs，频率为 fs，波速为 vs，在液体中的传播方向与光的传播方向夹角为θ。
当平行光垂直于超声波传播方向通过液体时，会发生衍射现象。
根据光栅衍射方程，衍射条纹的位置与波长、光栅常数等有关。
在超声光栅中，光栅常数等于超声波的波长λs。
通过测量衍射条纹的间距和角度，可以计算出超声波的波长λs，进而求出声速 vs ＝fs × λs 。
三、实验仪器分光计、超声光栅实验仪、汞灯、测微目镜等。
四、实验步骤1、调节分光计粗调：使望远镜、平行光管和平行平板大致水平，各半调节螺丝处于中间位置。
细调：用自准直法调节望远镜聚焦于无穷远，使望远镜光轴与分光计中心轴垂直；调节平行光管，使其发出平行光，并使其光轴与望远镜光轴重合。
2、连接超声光栅实验仪将超声光栅实验仪与分光计连接好，确保光路畅通。
3、观察超声光栅衍射条纹打开汞灯，让平行光通过超声光栅，在望远镜中观察衍射条纹。
4、测量衍射条纹间距转动望远镜，使叉丝对准衍射条纹的中央明纹，记录此时的角度读数θ1。
依次测量各级衍射条纹的角度读数θ2、θ3 等。
用测微目镜测量衍射条纹的间距。
5、改变频率，重复测量改变超声光栅实验仪的频率，重复上述测量步骤。
五、实验数据及处理1、实验数据记录｜频率（MHz）｜中央明纹角度（°）｜第一级明纹角度（°）｜第二级明纹角度（°）｜条纹间距（mm）｜｜：：｜：：｜：：｜：：｜：：｜｜ f1 ｜θ11 ｜θ12 ｜θ13 ｜ d1 ｜｜ f2 ｜θ21 ｜θ22 ｜θ23 ｜ d2 ｜｜ f3 ｜θ31 ｜θ32 ｜θ33 ｜ d3 ｜2、数据处理根据衍射条纹的角度读数，计算出各级衍射条纹对应的衍射角。
用超声光栅测定液体中的声速实验报告
超声光栅测定液体中的声速实验报告一、概述1.1 背景介绍超声光栅是一种用于测定液体中声速的仪器，它利用超声波的干涉现象来确定液体中声速的大小。
声速是指声波在介质中传播的速度，它对于液体的性质和结构有着重要的影响。
测定液体中的声速对于科学研究和工程应用具有重要意义。
1.2 研究目的本实验旨在通过使用超声光栅仪器，测定不同液体中声速的大小，以便对比分析液体的性质和结构差异。
二、实验原理2.1 超声波的干涉现象超声波是指频率大于20kHz的声波。
超声波在液体中传播时会产生干涉现象，这种干涉现象可以被超声光栅仪器捕捉和记录下来。
2.2 超声光栅仪器超声光栅仪器由发射器、接收器、干涉条纹显示器和时间测量系统组成。
发射器负责产生超声波，接收器负责接收干涉条纹，干涉条纹显示器用于观察干涉条纹的变化，时间测量系统用于测定干涉条纹的时间差。
2.3 声速测定原理液体中的声速可以通过测定干涉条纹的时间差来确定。
当超声波在液体中传播时，会产生一系列干涉条纹，这些干涉条纹的间距与声速成正比。
通过测定干涉条纹的时间差，即可计算出液体中的声速。
三、实验步骤3.1 实验仪器准备需将超声光栅仪器的发射器和接收器固定在容器的两侧，确保它们之间没有空隙，以确保超声波的传播路径不受限制。
3.2 液体样品准备准备不同的液体样品，确保它们的温度和压力相同。
这样可以避免外部环境因素对声速测定结果的影响。
3.3 实验操作将液体样品依次置于超声光栅仪器中，记录下干涉条纹的变化，并测定干涉条纹的时间差。
3.4 数据处理根据测定得到的干涉条纹时间差，利用声速测定原理计算出液体中的声速值，并进行结果分析。
四、实验结果与分析经过实验测定，得出不同液体中的声速数值如下：（见表1）表1 不同液体中的声速测定结果液体名称声速（m/s）甲醇 1430乙醇 1160水 1480通过对比分析不同液体中的声速数值，可以发现它们之间存在着显著的差异。
甲醇的声速最小，水的声速最大，这可能与液体的密度、粘度等物理性质有关。
利用超声光栅测定液体中声速表格.
计算紫、绿、黄1、黄2每一条谱线衍射级间的平均间距2k l ，计算出不同级数不同波长所对应的光栅常数i d 求出-
d ，然后求出V 及
%100⨯-S
S
V V V 表1 数据表
1．本实验如何保证平行光束垂直于声波的方向？ 2．驻波波节之间距离为半个波长2
λ
，为什么超声光栅的光栅常数等于超声波的波长λ？
【附 录】 一些参数：
20℃时，乙醇（C 2H 5OH ）中标准声速v S =1168m/s 水（H 2O ）中标准声速v S =1451.0m/s
紫光波长 λ=425.83nm 黄1光波长 λ=576.96nm 绿光波长 λ=546.07nm 黄2光波长 λ=579.07nm
【实验数据】
温度： 25℃
公式为： k c
l f V ∆=/λν 其中： M H z 4.11=ν 理论值： V 。
=1497 m/s (25℃)
Ｌ2焦距ｆ＝170mm ；汞灯波长λ（其不确定度忽略不计）分别为：汞蓝光435.8nm ，汞绿光546.1nm ，汞黄光578.0nm ，（双黄线平均波长）
样品：水
测微目镜中衍射条纹位置读数，小数点后第三位为估算值：（mm ）
用逐差法计算各色广衍射条纹平均间距及标准差：单位：（mm ）
))
()()()((121
30211203----+-+-+-=l l l l l l l l l k ∆
１． 用逐差法处理数据的优点是什么？ ２． 误差产生的原因？ ３． 能否用钠灯作光源？
４． 实验中看到蓝线会有晃动，是由什么原因产生？。
用超声光栅测液体中的声速PPT学习教案
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f dk
θ
S L1
L2
PZT
图2 测液体中的声速实验装置示意图
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角很
ssink=k （k=0，±1，±2，……） 式中k为k级衍射光的衍射角，为光波波长。当k
小时，可近似有
sink=dk/f
其中dk为衍射光谱上零级至k级的距离，f为透镜L2的 焦距，而且各级衍射线是等间距分布的。
用超声光栅测液体中的声速
会计学
1
•实验原理
1 超声波产生原理
利用压电体的逆压电效应发生 机械振动产生超声波。压电体 在交变电场的作用下发生周期 性的压缩和伸长，当外加交变 电场的频率与压电体的固有频 率相同时振幅最大。这种振动 在媒质中传播第1页就/共1得2页 到超声波。
2 超声光栅形成原理
超声波纵波在盛有液体的玻璃槽中传播时，液体被周期性 地压缩与膨胀，其密度会发生周期性的变化，形成疏密 波。稀疏作用会使液体密度减小、折射率减小。压缩作 用会使液体密度增大、折射率增大，因此液体密度的周 期变化，导致其折射率也呈周期变化。若超声行波以平 面波的形式沿X轴正方向传播时，波动方程可描述为
y
Am
co
s2
t Ts
x s
式点图中的一y代最给表大出各位了质移某点量时沿，刻xT液方s为体向超内偏声传离波播平的的衡周超位期声置，波的s位形为移（超，为声A表波m示的表方波示便长质。， 图中质点沿x方向的位移表示到竖直方向上了）。
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反 射 板
反 射 板
图1超声驻波形成示意图
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超声波的波长？ 4.实验时可以发现，当超声频率升高时，衍射条纹间距加大，反之
则减小，这是为什么？ 5.如果液体换为水衍射条纹会如何变化？
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用超声光栅测液体中的声速实验目的1．了解超声致光衍射的原理。
2．学会利用超声光栅测量超声波在液体中传播速度的方法。
实验仪器WSG－Ⅰ型超声光栅声速仪（超声信号源、液体槽、锆钛酸铅陶瓷体连液体槽盖板、液体槽座、高频信号线）、分光计、测微目镜、钠光灯、纯净水、酒精（95％）、小毛巾。
实验原理光波在介质中传播时被超声波衍射的现象，称为超声致光衍射（亦称声光效应）。
超声波作为一种纵波在液体中传播时，其声压使液体分子产生周期性的变化，促使液体的折射率也相应的作周期性的变化，形成疏密波。
此时，如有平行单色光沿垂直于超声波传播方向通过这疏密相间的液体时，就会被衍射，这一作用，类似光栅，所以称为超声光栅。
超声波传播时，如前进波被一个平面反射，会反向传播。
在一定条件下前进波与反射波叠加而形成超声频率的纵向振动驻波。
由于驻波的振幅可以达到单一行波的两倍，加剧了波源和反射面之间液体的疏密变化程度。
某时刻，纵驻波的任一波节两边的质点都涌向这个节点，使该节点附近成为质点密集区，而相邻的波节处为质点稀疏处；半个周期后，这个节点附近的质点又向两边散开变为稀疏区，相临波节处变为密集区。
在这些驻波中，稀疏作用使液体折射率减小，而压缩作用使液体折射率增大。
在距离等于波长Λ的两点，液体的密度相同，折射率也相等，如图1所示。
图1 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1单色平行光λ沿着垂直于超声波传播方向通过上述液体时，因折射率的周期变化使光波的波阵面产生了相应的位相差，经透镜聚焦出现衍射条纹。
这种现象与平行光通过透射光栅的情形相似。
因为超声波的波长很短，只要盛装液体的液体槽的宽度能够维持平面波（宽度为ι），槽中的液体就相当于一个衍射光栅。
图中行波的波长Λ相当于光栅常数。
由超声波在液体中产生的光栅作用称作超声光栅。
当满足声光喇曼－奈斯衍射条件：2πλι/Λ2<<1时，这种衍射相似于平面光栅衍射，可得如下光栅方程（式中k 为衍射级次，φk 为零级与k 级间夹角）λφk k =Λsin （k =0，1，2，……）在调好的分光计上，由单色光源和平行光管中的可调狭缝S 与会聚透镜L 1组成平行光系统，如图2所示。
让光束垂直通过装有锆钛酸铅陶瓷片（或称PZT 晶片）的液槽，在玻璃槽的另一侧，用自准直望远镜中的物镜L 2和测微目镜组成测微望远系统。
若振荡器使PZT 晶片发生超声振动，形成稳定的驻波，从测微目镜即可观察到衍射光谱。
从图2中可以看出，当φk 很小时，有：f l k k /sin =φ其中为衍射光谱零级至k 级的距离；为物镜L k l f 2的焦距，所以超声波波长：k k l f k k /sin /λφλ==Λ （3）超声波在液体中的传播速度：k l f ∆=Λ=/νλνυ （4）式中的ν是振荡器和锆钛酸铅陶瓷片的共振频率，k l ∆为同一色光衍射条纹间距。
图2 WSG-I 型超声光栅声速仪衍射光路图2WSG-I 型超声光栅声速仪的实验装置如图3所示。
液体槽（可称其为超声池）是一个长方形玻璃槽，它的两个通光侧面(窗口)为平行平面。
液槽内盛有待测液体(水或酒精)。
液体槽通过液体槽座被放置在分光计的载物平台上，其通光侧面与平行光管光轴垂直。
换能器为压电陶瓷晶片，晶片两面的引线与液体槽上盖的接线柱相连。
由超声信号源输出的高频振荡信号驱动锆钛酸铅陶瓷片，产生的超声波会在液体中形成稳定的驻波，形成超声光栅。
超声信号的共振频率一般在11MHz 左右。
用钠光灯作单色光源，它所发出的单色光（λ=589.3nm ）经过平行光管入射到液体槽上。
被超声光栅衍射后，自液体槽窗口出射的光，经望远镜物镜(JJY 型分光计的物镜焦距为=170mm)会聚在物镜的后焦面上。
用测微目镜观测由超声光栅产生的衍射条纹。
f1 钠光灯2 平行光管3 液体槽4 望远镜(去掉目镜筒)5 测微目镜6 压电陶瓷晶片7 导线8 频率显示窗 9 超声信号源 10调频旋钮图3WSG-I 型超声光栅声速仪的实验装置仪器介绍WSG-I 型超声光栅声速仪由超声信号源、超声池、高频信号连接线、测微目镜等组成，并配置了具有11MHz 共振频率的锆钛酸铅陶瓷片。
完成整个实验必需配备的仪器有：单色光源（汞或钠）、JJY1’分光计（大部分学校实验室都有）。
仪器的性能指标为：输入电压 220V50Hz输出信号频率： 8 ～ 12 MHz 工作频率： 9.5～11.5 MHz 测微目镜测量范围：8mm测量精度：0.01mm超声信号源面板如图4所示。
为保证仪器正常使用，仪器实验时间不宜太长，以免振荡线路过热，所以在超声信号源电源上设置了定时选择开关，可见仪器的后面板。
开启超声信号源电源前，先选择定时时间。
定时时间可选四档，分别为60分钟、90分钟、120分钟和3不选定时。
建议信号源定时功能设定为60分钟为宜。
图4 超声信号源面板示意图实验内容步骤1．调整分光计到使用状态。
（1） 调节望远镜使之适合于观察平行光。
（2） 调节望远镜的主光轴与分光计转轴垂直。
（3） 调节平行光管使之产生平行光。
（4） 调节平行光管与望远镜共轴。
（5） 调节载物平台与分光计的转轴垂直。
（6） 采用钠光灯作光源。
调节平行光管的狭缝至合适的宽度。
2．将液体槽放置到载物平台上，并且利于自准直法，调节平台的倾角螺钉，使液体槽的通光表面垂直于望远镜和平行光管的光轴，即，使光路与液槽内的超声波传播方向垂直。
3．把待测液体（纯净水或酒精）倒入液体槽中，液面高度以液体槽侧面的液体高度刻线为准。
将液体槽盖板盖在液体槽上。
4．先选择定时时间为60分钟，然后开启超声信号源电源。
5．从目镜观察衍射条纹。
仔细调节频率微调钮，使电振荡频率与锆钛酸铝陶瓷片的固有频率共振，此时，衍射光谱的级次会显著增多且更为明亮。
记录此时的信号源的频率。
6．观察液体中超声光栅的衍射现象。
为使单色平行光垂直于超声波的传播方向，可微调载物台，使观察到的衍射光谱左右对称，各级谱线亮度一致。
经过上述仔细调节，一般应观察到±3级以上的衍射谱线。
7．将分光计目镜更换为测微目镜。
对目镜调焦，看清分划线。
然后以平行光管出射的平行光为准，对望远镜的物镜进行调焦，使平行光管的狭缝象清晰。
8．记录液体的温度（室温）。
用测微目镜沿一个方向移动，逐级测量钠黄光各级衍射谱线的相对位置，并用逐差法求出条纹间距的平均值。
9．计算液体中的声速。
4注意事项1．锆钛酸铅陶瓷片未放入有媒质的液体槽前，禁止开启信号源。
2．实验过程中要防止震动，也不要碰触连接超声池和高频电源的两条导线。
因为导线分布电容的变化会对输出电频率有微小影响。
只有压电陶瓷片表面与对面的玻璃槽壁表面平行时才会形成较好的表面驻波，因而实验时应将超声池的上盖盖平。
3．一般共振频率在11MHz 左右，WSG－Ⅰ型超声光栅仪给出9.5-12MHz 可调范围。
在稳定共振时，数字频率计显示的频率值应是稳定的，最多只有末尾1－2个单位数的变动。
4．实验时间不宜太长。
特别注意不要使频率长时间调在11MHz 以上，以免振荡线路过热。
5．测量完毕应将超声池内待测液体倒出，不能长时间将锆钛酸铅陶瓷片浸泡在液体槽内。
6．声波在液体中的传播与液体温度有关，要记录待测液体温度，并进行温度修正。
7．提取液槽应拿两端面，不要触摸两侧表面通光部位，以免污染，如已有污染，可用酒精乙醚清洗干净，或用镜头纸擦净。
8．实验中液槽中会有一定的热量产生，并导致媒质挥发，槽壁会见挥发气体凝露，一般不影响实验结果，但须注意液面下降太多致锆钛酸铅陶瓷片外露时，应及时补充液体至正常液面线处。
数据表格处理表1 测量纯净水的声速 实验温度： 光波长λ=589.3nm 物镜焦距=170mm f 共振频率ν＝衍射条纹级次 －4 －3 －2－10 1 2 3 4 衍射条纹位置 衍射条纹的间距∆＝k l 纯净水中的声速k l f ∆=Λ=/νλνυ＝表2 测量酒精的声速 实验温度： 光波长λ=589.3nm 物镜焦距=170mm f 共振频率ν＝衍射条纹级次 －4 －3 －2－10 1 2 3 4 衍射条纹位置 衍射条纹的间距∆＝k l 酒精中的声速k l f ∆=Λ=/νλνυ＝思考题1． 本实验如何保证平行光束垂直于声波的方向？2． 驻波波节之间距离为半个波长，为什么超声光栅的光栅常数等于超声波的波长？53． 超声光栅与平面衍射光栅有何异同?4． 实验时可以发现，当超声频率升高时，衍射条纹间距加大，反之则减小，这是为什么？附录声波在下列物质中的传播速度：20℃纯净介质。
液 体 t0℃ V0(m/s) A(m/s·k)苯 胺 20 1656 -4.6丙 酮 20 1192 -5.5苯 20 1326 -5.2海 水 17 1510-1550 /普通水 25 1497 2.5甘 油 20 1923 -1.8煤 油 34 1295 /甲 醇 20 1123 -3.3乙 醇 20 1180 -3.6表中A为温度系数，对于其他温度t的速度可近似按公式Vt=V0+A(t-t0)计算。
6。