实验论文：超声光栅测液体中的声速
超声光栅测液体声速
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。
超声光栅测液体中的声速 实验报告
超声光栅测液体中的声速实验报告实验目的：1. 学习超声光栅技术的基本原理及其在液体声速的测量中的应用。
3. 了解液体中的声速与温度、密度等因素的关系，学习并掌握利用实验数据计算声速的方法。
实验原理：超声光栅是一种通过测量超声波在介质中的传播时间或传播距离来测量介质参数的技术。
当在液体中发射一束超声波时，该波在介质中传播时会产生驻波，当驻波的节点与反节点分别扫过探测器时，探测器会检测到相位反转，以此来计算声速。
声速与温度、密度、压力等参数有关，它们之间的关系可以用以下公式描述：v = (γP/ρ)1/2其中，v为声速，γ为气体或液体的绝热指数，P为压力，ρ为密度。
实验器材：超声光栅、选用不同液体、温度计、容量瓶、注射器、天平。
实验步骤：1. 将超声光栅放置在容量瓶中，加入不同液体使光栅完全浸没在液体中，待液体静止。
2. 使用注射器将温度适宜的漏斗液体缓缓注入容量瓶中，待液面平静。
3. 记录实验时液体的温度，并使用超声光栅测量液体中的声速，记录数据。
4. 重复步骤2和3直至所有选用的液体测量完成。
5. 计算数据，分析声速与液体密度及温度的关系。
实验数据：液体测量重量/克体积/mL 温度/℃ 声速/米每秒水 500 500 22.5 149475%酒精 475 500 22.8 1089甘油 800 500 24.2 1769实验结果：由数据可知，在相同温度下，不同液体的声速是不同的，其中甘油的声速最高，水的声速最低，75%酒精的声速居中。
这是由于不同液体的密度不同，其声速也有所不同。
在相同液体中，当温度升高时，声速会随之升高，这是由于液体分子间距离增大而导致声波在液体中传播的速度变快。
同时，由于液体中的热能与分子活动增大，其响应速度也会加快。
实验分析：通过实验可知，在不同液体中测量声速时，温度和液体密度都会影响声速的结果。
为了获得更为准确的实验结果，我们需要控制好实验条件，尽量消除掉实验误差。
例如，在进行实验过程中可以使用恒温加热器来控制温度稳定，避免因温度变化导致实验误差，同时在将液体添加到容器中时，要注意均匀平稳地加入，且不要在加液体的过程中摇晃容器，以避免产生液面波动而导致测量不准确。
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。
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。
超声光栅测液体中的声速
的强度 、 传播 方 向等 的实用 方法 之 一 ， 得 到 日益 广 并
泛的应 用 。Ｍ． ．Ｇｒｅ ｗ ｏ Ｌ ７等 人 利 用 超 声 光 Ｓ ｅｎ ｏ ｄ６ ￣
图 １为在 ｔ ｔ ／ （ 和 ＋Ｔ ２ Ｔ为超 声振 动周期 ） 两时
栅 衍射谱 （ ＵＤＧ ） 表 征 泥 浆 ， 而 测 量它 的颗 粒 ｓ来 从 尺寸 ； 梅振 林 Ｌ 等人将 超声光 栅 用 于声 速 的测量 ， ８ 设 计 出一种 切实 可行 的仪器并 将 其用 于大 学 物理 基 础 实验 ， 是一种 好 的尝试 ， 体 现 了大学 物 理实 验 教 这 它
声光作 用距 离 Ｌ较小 ， 波通过 时 ， 质折射 率 的空 光 介 间周 期性变 化 性质 可 近 似 认 为 是 时 间不 变 的 ， 位 其 相受 到 的调 制 ， 如同经 过一个 正 弦位 相光 栅 ， 弦位 正
相光栅 与普 通平 面矩形 光栅 的衍 射 主极 大满 足类 似 的光 栅 方 程Ｌ ］ １ ３ 】 。 ９ ５年 ， 曼 （ ｍａ ） 奈 斯 ｑ 拉 Ｒａ ｎ 和
学 的现代 化要 求 ， 有 创 意 。但 多 数 文 献 和 教材 对 很 实 验原理 以及实 验 内容部分பைடு நூலகம்的叙 述 和解 释得 不 够详 细 清楚 ， 的教 材甚 至没有 提及 ， 严 重影 响 了学 生 有 这 对 超声光栅 衍射 性质 的认 识 。本文详 细 地介 绍 了 有
超 声光 栅 声 速 仪 的 使 用 方 法及 性 能 以及 在 实验 中应 该 注意 的 问题 ， 且 计 算 了声 波 在 水 中的 传 播 速 度 。 最后 对 超 声 光 栅 衍 射 并
测 量液 体 中 声速 的 理 论 ， 行 了讨 论 。 进
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。
用超声光栅测定液体中的声速实验报告
西 安 交 通 大 学 实 验 报 告共 4 页课 程_______综合物理实验_______ 实验日期 2012年3月30日专业班号 材物01姓 名 薛翔 学号 10096018实验名称 用超声光栅测定液体中的声速人耳能听到的声波，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。
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()()y K t N N t y N s s -∆+=ωcos ,0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v s 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）。
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。
实验论文：超声光栅测液体中的声速
用超声光栅测定液体中的声速摘要：描述了平面超声波在液体里传播形成超声光栅的原理；根据非理想流体对应的连续性方程和Lorentz-Lorenz 定律，推导了液体光栅中液体密度与折射率的周期性变化规律，表明液体密度和折射率变化满足相似的驻波方程；并给出了利用超声光栅测量声速的方法与实验结果。
关键词：超声光栅；液体声速；原理与方法Abstract : This paper described the principle of plane ultrasonic spreading abroad in the liquid coming into being ultrasonic grating, educed the density and refractive index changing rule basis continuity equation of not-ideal liquid and Lorentz-Lorenz law, expressing the transformation of the index and refractive index satisfaction similar equation of standing wave, and gave the method and experiment result of measuring velocity of sound in liquid.Key words : ultrasonic grating; vocal velocity; principle and method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。
用超声光栅测液体中声速的理论与实验研究
-
9ρ 9t
=
(ρυ_ )
(2)
式中 : ρ为液体中任意点的密度 , υ_ 为该点流体的速度.
由 (1) 式可得
υ = υ( x , t)
=
9y ( x , t) 9t
=-
2 Aωco s2πλx sin (ωt)
(3)
与 (1) 式相对应 , 密度ρ仅为 x , t 的函数 , 设为ρ( x , t) , 令 (2) 式ρ中的试解为
Lorenz 定律 , 推导了液体光栅中液体密度与折射率的周期性变化规律 , 表明液体密度和折射率变化满足相似的驻
波方程 ; 根据推导的结果描绘了几个特殊时刻的驻波波形 、液体密度 、折射率周期性变化之间的关系曲线 ; 进而
由折射率周期性变化规律分析了超声驻波自身像的形成原理 , 并给出了 C GS 型超声光栅声速仪利用超声驻波自身
Theory and Experiment Research on Measuring Vocal Velocity in Liquid by Ultrasonic Grating
1 液体超声光栅的形成原理
当一束波长为λ, 周期为 T 的平面正弦超声波在液体里传播时 , 波前进路径上的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. 液体对光的折射率与液体的密度有关 , 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[2] . 如果在超声波前进的方向上放 置一个表面光滑且与超声波波阵面平行的金属反射板 , 那么到达反射板表面的超声波将反射而沿反方向传 播. 在一定条件下 , 前进波与反射波叠加而形成驻波. 某时刻 , 驻波的任一波节两边的质点都涌向这个节 点 , 使该节点成为质点密集区 , 而相邻的波节处为质点稀疏区 ; 半个周期后 , 这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. 随着液体密度的周期性变化 , 折射率也呈周期性变化 , 于是 当一束光沿垂直于超声波传播的方向通过液体时 , 光就像通过一个透射光栅那样 , 产生衍射现象. 这种由 超声驻波在液体中传播形成的液体光栅被称为超声光栅.
超声光栅测声速实验报告之欧阳化创编
西安理工大学实验报告课程名称：普通物理实验专业班号：应物091 组别： 2 姓名：赵汝双学号： 3090831033 实验名称：超声光栅测液体中的声速实验目的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。
此时如有平行单色光沿垂直超声波方向通过这疏密相间的液体时，就会被衍射，这一作用，类似于光栅，所以叫超声光栅。
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可以形成驻波。
由于驻波小振幅可以达到单一行波的两倍，加剧了波源和和反射面之间的的疏密程度，某时刻，驻波的任一波节两边的质点都涌向这一点，使该节点附近形成密集区，而相邻波节处为质点稀疏处；半个周期后，这个节点附近的质点向两实验日期：2011年4月7日 交报告日期：2011年4月14日 报告退发： （订正、重做） 教师审批签字：边散开形成稀疏区，而相邻波节处变为密集区。
在这些驻波中，稀疏区使液体的折射率减小，而压缩作用使液体折射率增加，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）２．超声光栅册液体中的声速如图２(ａ)所示，在透明介质中，有一束超声波沿方向传播，另一束平行光垂直于超声波传播方向(方向)入射到介质中，当光波从声束区中出射时，就会产生衍射现象。
图２实际上由于声波是弹性纵波，它的存在会使介质(如纯水)密度在时间和空间上发生 周期性变化如图２(a)，即02(,)sin()s z t Z Aπρρρω=+∆-（１－１）式中：z 是沿声波传播方向的空间坐标，ρ是t 时刻z 处的介质密度，0ρ为没有超声波存在时的介质密度，s ω叫是超声波的角频率，A 是超声波波长，ρ∆是密度变化的幅度。
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用超声光栅测定液体中的声速摘要：描述了平面超声波在液体里传播形成超声光栅的原理；根据非理想流体对应的连续性方程和Lorentz-Lorenz 定律，推导了液体光栅中液体密度与折射率的周期性变化规律，表明液体密度和折射率变化满足相似的驻波方程；并给出了利用超声光栅测量声速的方法与实验结果。
关键词：超声光栅；液体声速；原理与方法Abstract : This paper described the principle of plane ultrasonic spreading abroad in the liquid coming into being ultrasonic grating, educed the density and refractive index changing rule basis continuity equation of not-ideal liquid and Lorentz-Lorenz law, expressing the transformation of the index and refractive index satisfaction similar equation of standing wave, and gave the method and experiment result of measuring velocity of sound in liquid.Key words : ultrasonic grating; vocal velocity; principle and method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)＝n＋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y(x,t)＝A c o s2π(t/T s－x/Λ)1y(x,t)＝A c o s2π(t/T s＋x/Λ)2两者叠加后得y(x,t)＝y＋y2＝2A c o s（2πx/Λ）cos（2πt/T s)1该式说明叠加的结果为一驻波。
该驻波沿x方向各点的振幅为 2A c o s（2πx/Λ），是x的函数，随x呈周期性变化（波长为Λ），但不随时间变化。
在x＝nΛ/2（n＝ 0，1，2，3，…）各点的振幅为极大，等于2A，这些点称为驻波波腹，相邻波腹间的距离为Λ/2。
在x＝（2n＋1）Λ/4的各点的振幅为零，这些点称为波节，相邻波节间的距离也是Λ/2。
因此超声驻波形成的超声相位光栅是固定在空间的。
驻波位相为2πt/T s，是时间t的函数，但不随空间变化。
某一时刻，驻波的任一波节两边的质点都涌向这个节点，使该节点附近形成质点密集区，而相邻的波节处为质点稀疏区。
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，相邻波节处变为密集区。
液槽中传播的超声驻波一个周期内几个特殊时刻的波形、液体密度、折射率变化曲线如图。
可见，液槽内距离等于波长Λ的任何两点处，液体的密度、折射率相同。
因此，有超声波传播的液体相当于一个相位光栅，光栅常数就是超声波的波长。
注意：光在液体中的传播速度约为3.E+08 m/s，因此，可以认为光在通过液体的一段时间内其光栅结构不随时间改变，因此，超声光栅与一维光栅有着相似的作用，其光栅常数越小（超声波的频率很高），衍射作用就越明显。
当超声波频率比较低（如2Mhz 左右，其光栅常数约1条线/mm）此时，光的衍射效果可以忽略，直线传播性质明显，只能显示光栅的自身影像，即超声驻波像。
2、利用超声光栅衍射（拉曼－奈斯型衍射）测量液体中声速当单色平行光沿垂直于超声波传播方向通过液体时，由于光速远大于液体中声速，可以认为光波的一波阵面通过液体的过程中，液体的疏密及折射率的周期性变化情况没有明显改变，相对稳定。
这时，因折射率的周期性变化将使光波通过液体后在原先的波阵面上产生相应的周期变化的位相差，在某特定方向上，出射光束会相干加强（或减弱），产生衍射，经透镜聚焦后，即可在焦平面上观察到衍射条纹。
根据光栅方程可得Λsinθk＝kλ（k＝0，±1，±2，±3,…）式中θk 为第k级衍射光的衍射角，λ为光波波长。
当θk角很小时，可近似有sinθk＝d k/f(其中d k为衍射光谱上零级至k级的距离，f为透镜L2的焦距)，可以认为各级条纹是等间距分布的。
则超声波波长为Λ＝kλ/sinθk＝kλf/ d k＝λf/Δd其中Δd为相邻条纹间距。
液槽中传播的超声波的频率υs可由超声光栅仪上的频率计读出，则超声波在液体中传播的速度为V＝Λυs＝λfυs/Δd因此，利用超声光栅衍射可以测量液体中的声速。
二、实验内容实验仪器：分光计、超声光栅仪、玻璃液槽、高压汞灯、测微目镜、待测液体（水）。
实验步骤：1、分光计的调节1)用自准法调节望远镜聚焦于无穷远。
①目镜视度的调节。
点亮目镜照明小灯，转动目镜视度调节手轮，使从目镜中清晰地看到分划板上的黑十字叉丝。
②将平面镜轻轻贴近望远镜镜筒，使平面镜与望远镜基本主轴垂直，前后移动分划板套筒，直至从目镜视场中观察到反射回的绿十字叉丝像清晰，且绿十字叉丝像与分划板上的叉丝间无视差，则望远镜聚焦于无穷远。
2)调节望远镜主轴垂直于载物台转轴①将平面镜如图置于载物台上，转动载物台，使镜面与望远镜主轴大致垂直，从目镜中观察由平面镜反射回的绿十字像。
一般由于置于载物台上的平面镜与望远镜不能互相垂直，所以不能一下子观察到反射绿十字像。
轻轻转动载物台，使镜面旋转一个小角度，从望远镜外侧用眼睛观察从平面镜反射回的绿十字像，适当调节望远镜和载物台的倾斜度，直到转动载物台时，从目镜中能观察到反射回的绿十字像。
②通常，绿十字像水平线和分划板调整叉丝水平线不重合，可采用1/2调节法来调节。
调节望远镜的水平调节螺丝，使两者水平线的差距减少一半；调节载物台下的调节螺丝a或b，使两者水平线重合。
③将载物台旋转180°，重复步骤②。
这样反复进行调节，直到平面镜的任何一面正对望远镜时，绿十字像与分划板调整叉丝两者水平线都重合，说明望远镜主轴与平面镜的两个面都垂直。
④将平面镜转过60°，转动载物台，使平面镜某一面正对望远镜，从中找出绿十字像，然后单独调节载物台下水平调节螺丝c，使平面镜反射回来的绿十字像与分划板调整叉丝水平线重合，则载物台平面法线基本上与分光计转轴重合。
3)调节分划板上十字叉丝水平与垂直。
转动载物台，从目镜中观察绿十字像是否沿叉丝水平线平行移动，若不平行，则可转动分划板套筒使其平行（注意不要破坏望远镜的调焦）。
至此，望远镜已调节好可作为基准进行其它调节。
4)调节准直管发出平行光且准直管主轴与转轴垂直。
①将已点亮的汞灯置于狭缝前，转动望远镜，从目镜中观察到狭缝的像，前后移动狭缝套筒，改变狭缝与望远镜物镜之间的距离，使狭缝像最清晰，此时准直管发出平行光。
②调节准直管水平调节螺丝，使狭缝像被叉丝第二条水平线平分，则准直管与望远镜共轴，即准直管主轴与转轴垂直。
至此，分光计调节完毕，固定载物台。
2、衍射条纹调节1)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，调节载物台水平调节螺丝，使反射回的绿十字像与分划板调整叉丝水平线重合，确保光路与液槽内超声波传播方向垂直。
2)调节准直管套筒，使狭缝像与分划板调整叉丝竖线重合。
调节高频功率信号源的频率，使可以观察到±3级衍射条纹，调节狭缝宽度调节螺丝使衍射条纹最细，固定望远镜。
3)将望远镜目镜换成测微目镜，前后移动测微目镜使衍射条纹最清晰，旋转测微目镜，使目镜视场中分划板标尺与衍射条纹平行，固定测微目镜。
3、相邻条纹间距的测量1)将测微目镜分划板标尺移至-3级紫光衍射条纹左侧，单向移动标尺，逐,再反向进行测量（共3次测出-3、-2、-1、0、1、2、3级条纹位置Xk1次）。
2)重复1)操作，分别对绿光、黄光进行测量。
3)利用逐差法，计算出相邻条纹间距ΔL。
4、声速的计算：V＝Λυs＝λfυs/ΔL5、实验数据12)(314∑=--=∆k k kL LL其中 声速相邻条纹间距三、 分析、误差处理 实验误差主要有:1、仪器误差2、由于实验者原因，对于读数产生的误差3、实验使用的不是纯净水，产生的误差4、实验环境条件（温度、气压等）造成的误差误差处理：()()()()()mm n n L L U i L 003.065643.05613.05643.05616.05643.05702.0122221=-+-+-=-∆-∆∑=∆()()()()()mm n n L L U i L 004.066955.06875.06955.06954.06955.07037.0122222=-+-+-=-∆-∆∑=∆()()()()()mmn n L L U i L 0008.067320.07317.07320.07408.07366.07374.0122223=-+-+-=-∆-∆∑=∆1269121118003.05643.01038.111701084.435--∆⋅=⨯⨯⨯⨯⨯=∆=s m U L f U L V νλ Lf V ∆=νλ1269222229004.06955.01038.111701007.546--∆⋅=⨯⨯⨯⨯⨯=∆=s m U L f U L V νλ 12693233320008.07366.01038.111701002.578--∆⋅=⨯⨯⨯⨯⨯=∆=s m U L f U L V νλ 014951495149511=-=''-=V V V δ %1.214951495152622=-=''-=V V V δ%2.214951495152833=-=''-=V V V δ 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。