超声光栅测量声速
超声光栅测声速
实验 20 超声光栅测声速本实验隶属声光效应实验范畴。
在光路中放置一产生声波振动的媒介实现对透过光的调制，而且调制效果可以与声信号存在可计算的联络，了解如何对光信号进行调制，以及实现这一过程的手段，同时也为测量液体（非电解质溶液）中的声速提供另一种思路和方法。
实验目的和学习要求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。
实验原理超声波是一种频率高于人耳能感觉到的声波频率（约在16— 120000Hz 之间）的机械波，即频率高于 20KHz的声波就是超声波。
根据波动理论，超声波的波长，频率和速度 V 三者之间亦有如下的关系：V＝· 。
本实验就是利用已知频率的超声辐射器向传播超声的介质（液体）发射超声波，然后用光学方法间接地测出它的波长从而求出超声波在该介质中的传播速度V。
精确测量液体中的超声速度对研究该液体的物理性能、分子结构、声光作用的机理以及声阻抗的测量等都是很有意义的。
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）。
产生超声波的方法很多，较常用的是利用某些晶体的压电效应来产生超声波，本实验中采用锆钛酸铅陶瓷片（或称PZT 晶片）。
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，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性变化，必然导致其折射率也相应地作周期性变化。
如图20-1 所示。
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，就相当于通过一个透射光栅，因而会发生衍射，这种衍射称为“声光衍射” 。
存在声波场的介质则称为“声光栅”；当采用超声波时，通常就称为“超声光栅”。
图 20-1 实验原理示意图超声波传播时，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。
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。
超声光栅测声速
光栅衍射原理
光栅衍射光路图 (强度分布 强度分布) 强度分布
Y
I
光 透 栅 镜
屏 幕
光栅衍射光路图 (具体分析 具体分析) 具体分析
主极大(明条纹 角位置条件 主极大 明条纹)角位置条件 明条纹 光栅方程: 光栅方程
a +b
d sin ϕ
L
P
ϕ
ϕ
o
f
d sin ϕ = ±kλ
k = 0,1,2,LL
分光计的主要构造
中心 转轴
刻度盘与游标盘
分光计的光学系统及调节的要求
平行光管 载物台 望远镜
目镜、物镜、平行光 目镜、物镜、 望远镜轴线、载物台、 望远镜轴线、载物台、平行光 管 管轴线vs中心转轴 管轴线 中心转轴 仪器转轴
一同轴 三调焦 三垂直
分光计的测角度的方法
如何测？ 如何测？
测什么？ 测什么？
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 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
思考题
• 1.为什么超生腔内形成的是纵驻波？ 1.为什么超生腔内形成的是纵驻波？ • 2.本实验如何保证平行光束垂直于声波的方向？ 2.本实验如何保证平行光束垂直于声波的方向？ • 3.驻波波节之间距离为半个波长，为什么超声光 3.驻波波节之间距离为半个波长，为什么超声光 • •
实验内容
• 调节分光计（三调焦三垂直） 调节分光计（三调焦三垂直） • 放置超声池，调节到共振状态，观察衍射 放置超声池，调节到共振状态， 一级谱
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
为共振时频率计
实验内容与步骤
1.调好分光计 1.调好分光计 将待测液体纯净水注入液体槽内, 2.将待测液体纯净水注入液体槽内,液面高度以液体槽侧面 的刻线为准. 的刻线为准. 将液体槽座卡在分光计载物台上, 3.将液体槽座卡在分光计载物台上,液体槽卡住载物台边的 缺口对准锁紧螺钉的位置,放置平稳, 缺口对准锁紧螺钉的位置,放置平稳,并用载物台侧面的锁紧 螺钉锁紧. 螺钉锁紧. 将液体槽（也称超声池）平稳地放置在液体槽座中, 4.将液体槽（也称超声池）平稳地放置在液体槽座中,转载 物台使超声池两侧表面基本垂直于望远镜和平行光管的光轴 两支高频连接线的一端各插入液体槽盖板的接线柱上， 5 . 两支高频连接线的一端各插入液体槽盖板的接线柱上 ， 另一端接入超声光栅仪电源箱的高频信号输出端， 另一端接入超声光栅仪电源箱的高频信号输出端，然后将液 体槽盖板盖在液槽上； 体槽盖板盖在液槽上； 开启超声信号源电源， 从阿贝目镜观察衍射条纹， 6 . 开启超声信号源电源 ， 从阿贝目镜观察衍射条纹 ， 仔细 调节频率微调钮， 调节频率微调钮，使电振荡频率与锆钛酸铅陶瓷片固有频率 11MHz 共振, 此时, （ 约 11 MHz ） 共振 , 此时 , 衍射光谱的级次会显著增多且更 为明亮. 为明亮.
超声光栅的产生机制
y A 疏 n nmax A nmin nma
x
t
密
疏
密
疏
反 射 板
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， 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 超声光栅。 所以称为超声光栅。
液体中测声速的原理
超声波的波长A相当于光栅常数。 超声波的波长A相当于光栅常数。 光栅方程
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。
大学物理实验超声光栅测声速
从图1-图3中我们
反 射
可以看到驻波在T/2
板
个周期内各质点处密
度变化情况，从图中
看出奇数点不发生振
动，这样的点为波节，
反
且波节与波节处相距
射 板
λ/2，即条纹间距对
应于超声波的半波长
v—1
—v2
—v3
—v4
.
22
这4次超声波波速平均值
4
vi
v i1 4
vA
4
(vi v)2
i 1
12
vB 0.02 3
v vA2vB2
Ev
v100% v
.
23
注意事项
1、先向液槽内加水，再加超声波信号（注意顺 序！）。防止发射探头内的压电陶瓷片在空气中强 行振动而损坏。 2、建议调细明条纹宽度，记录明条纹通过叉丝的 数目（厂商建议）。调节方法：将狭缝宽度调窄 3、每组测量时，只能沿一个方向旋转读数鼓轮， 避免空程误差 4、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，可用酒精清洗干净， 或用镜头纸擦净。
实验目的
1.了解超声致光衍射的原理; 2. 掌握利用声光效应测定液体中声速的方
法；
1、横波与纵波
横波也称“凹凸波”，是质点的振动方向与波的传 播方向垂直。在横波中突起的部分为波峰，凹下部 分叫波谷。波长通常是指相邻两个波峰或波谷之间 的距离。电磁波、光波都是横波。 纵波是质点的振动方向与传播方向平行的波。在纵 波中波长是指相邻两个密部或疏部之间的距离。如 敲锣时，锣的振动方向与波的传播方向就是平行的。 常见的纵波有声波（Sound wave）和地震引起的P 波（P-waves，含义是Primary wave，因为P波是地 震波中传播最快的一种，地震时最先到达震中）。
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。
超声波光栅测声速实验报告
超声波光栅测声速实验报告超声波光栅测声速实验报告超声波光栅测声速实验报告实验名称：超声光栅测声速实验实验目的：1.了解超声光兰产生的原理。
2.了解生波如何对光信号进行调解3.通过对液体(非电解质)中声速的测定，加深对其概念理解。
实验仪器：WSG-l型超声光栏声速仪实验原理光波在传播时被超声波衍射的现象，称为超生致光效应亦称声光效应)。
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;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，单色平行光沿着垂直于超声波传播方向上通过上述液体时，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，槽中的液体就相当于一个衍射光栅。
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。
(k=0，1，2，)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：(4)式中为信号源的振动频率。
实验步骤：1.用自准法调分光计的望远镜对平行光(即无限远)聚焦，成像在分划板上。
(1)先目测，调节载物台，望远镜筒，平行光管都初步达到共轴、水平状态，为进一步细调打下基础。
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。
超声光栅及声速的测量
声光效应与超声光栅实验（FB720型声光效应与激光超声光栅实验仪）实验讲义浙江大学物理实验教学中心杭州精科仪器有限公司声光效应与超声光栅实验概 论超声波在液体介质中传播时，将引起液体介质的弹性应变，从而引起介质折射率的变化。
声压的周期性变化决定了折射率的变化具有时间和空间上的周期性。
当光束通过有超声波的介质后，尤如通过一个相位光栅，如果该光栅间隔适当的小，就会与正常光栅一样观察到衍射现象，正如1922年布里渊（L Brillouin.）曾预言液体中的高频声波能使可见光产生衍射效应一样，在10年后被实验证实。
1935年拉曼（Raman.C.V ）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。
这种声光效应称做拉曼—奈斯声光衍射。
这就是声光效应的典型实例，本实验利用该物理现象，进行在介质液体中的声速测量。
【实验原理】1．声光效应与声场位相光栅的形成：声波是一种机械应力波，若把这种应力波作用于声光介质（如水，玻璃等透明介质）中，就会引起压缩与伸张效应，使介质内部产生疏密层次变化。
由于介质折射率与介质密度成正比，所以介质密度周期性的变化，必将导致介质中折射率发生周期性的变化。
如声波在传播的过程中，遇到反射产生信号叠加产生驻波，就会更加加剧上述现象。
图1为水介质在超声作用下的汇聚起来的水波涟，显示在超声波的作用下引起介质内的应变。
设如果介质在Y 方向的高度h 正好是超声波半波长的整数倍，在受到底部反射后就在介质中形成驻波场，有t cos y k cos U 2)t ,Y (U S s 0ω∙=，理论证明它使得介质在Y 方向的应变是：（1）可见驻波的作用可以成倍的引起振幅应变的变化，所以要使实验现象明显，本实验刻意放置在驻波声场中进行。
介质的应变S 引起的折射率发生相应的变化，它们的关系可以表示为：（2）其中n 是介质的折射率，ρ是应变引起的2n 1的光 弹系数，由于在诸如水这样的各向同性的介质中，图1 ρ与S 都是标量，对于驻波声场：t cos y k sin S 2S s s 0ω∙=S n 1(2ρ=∆t cos y k sin A 2t cos y k sin S n S 2n n s s s s 033ω∙-=ω∙ρ-=ρ-=∆ （3）公式中03S n 21A ρ=为超声波引起介质的折射率变化的幅值，这样在声波传播的Y 方向上，折射率是以：t cos y k sin A 2n n n )y (n s s 00ω∙+=∆+= （4）的规律发生变化, 使介质内部疏密层次也发生相应的变化。
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。
超声光栅测量声速
超声光栅测量声速【实验目的】1、初步了解声光调制的理论2、了解并学习超声光栅声速仪的原理和使用3、利用超声光栅声速仪测量超声波在水中的传播速度【实验仪器】WSG —1型超声光栅声速仪（信号源、液体槽、锆钛酸铝陶瓷片），分光计，测微目镜，低压汞灯【实验原理】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。
在距离等于波长A 的两点，液体的密度相同，折射率也相同。
超声波在传播时，被液体槽面反射产生反射波，在一定条件下，前进波与反射波叠加会形成纵向的超声驻波。
由于驻波的振幅可以达到单一行波的两倍，这样就加剧了波源与反射面之间液体的疏密化程度。
此时，装置中的液体就等效为液体光栅。
当平行光沿垂直于超声波传播的方向通过上述液体光栅时，就会出现和平行光通过透射光栅的情形类似的衍射现象，类似于光栅，称为超声光栅。
该现象称为超声致光衍射（声光效应）。
sin ,sin kk k L A K fφλφΔ==其中k L 为衍射光谱零级至K 级的距离；f 为透镜的焦距（JJY 分光计170f mm =）。
所以超声波波长： sin k kk K K f fA L L λλλφ===Δ超声波在液体中的传播速度：kf v A L λγγ==Δ式中γ为振荡器和锆钛酸铅陶瓷片的共振频率。
k L Δ为相邻两条同色衍射条纹之间的距离。
【实验内容】1、按分光计的调节方法调节好分光计（具体调节要求有哪些？）2、将待测液体注入液体槽内，使液面的高度恰好与液体槽侧面的高度刻线相等。
3、将液体槽座卡在分光计载物台上，放置平稳后用螺钉锁紧。
4、把液体槽（超声池）放置在液体槽座中，并使超声池两侧的表面垂直于望远镜和平行光管的光轴。
，镜中观察衍射条纹，仔细调节频率微调旋钮，使衍射光谱的级次增多射条纹和读数。
超声光栅测声速
超声光栅测声速超声光栅测声速实验目的1、了解超声光栅产生的原理。
2、掌握用超声光栅测量超声波速度的方法。
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。
实验仪器超声光栅声速仪、分光计、酒精、高压汞灯、测微目镜实验原理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；集区。
在这些驻波中，稀疏区使液体的折射kk k l fl f k k A ∆===λλφλsin 其中k l ∆为相邻条纹间距。
液槽中传播的超声波的频率v 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kl vfAv ∆==λυ因此，利用超声光栅衍射可以测量液体中的声速。
实验内容1、分光计的调节：用自准法调节望远镜聚焦于无穷远，调节望远镜主轴垂直于载物台转轴，调节准直管发出平行光且准直管主轴与转轴垂直。
目镜调焦使看清分划板刻线，并调节望远镜使观察到的狭缝清晰，狭缝应调至最小，实验过程中无需调节（采用低压汞灯作光源）。
2、将酒精注入液体槽内，液面高度以液体槽侧面的液体高度刻线为准。
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。
3、衍射条纹调节调节准直管套筒，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±2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。
利用超声光栅测量声速 实验报告
实验十七利用超声光栅测量声速一．预习报告。
二．数据处理及分析。
测得T1 = 29°C T2 = 29°C则 T = 29 °C已知λ= 577 nm f = 70 mm由V = λVf∆l k知：为了求速度V 需要知道V和∆l k，由测得的数据表格中，V= 10.81 Hz 而对于∆l k，为了减少误差，利用多次逐差法，对原数据进行数据处理：先求的各个(l|k|-l|k|−1)，数据如表格，然后求出各个(l|k|-l|k|−2)/2，数据如表格，然后求出各个(l|k|-l|k|−3)/3，数据如表格，最后利用∆l k= ∑[(l|k|−l|k|−1)+l|k|−l|k|−22+l|k|−l|k|−33]/15求得∆l k= 0.290 ×10-3 m根据公式V = λVf∆l k= 10.81×577×700.290×10−3m/s= 1505.6 m/s查的：V理= 1500 m/s故：V的相对误差= 1505.6−15001500×100%≈0.373 %2.误差分析。
（1）超声仪器易发热，实验时间长时会使液体温度升高，造成误差。
（2）读数时视觉误差。
（3）衍射条纹较粗，测量时有误差。
（4）信号源的频率不稳定，也会产生误差。
（5）使用的水不是纯净水，钠灯光在水里传播频率会有影响。
三．思考题。
1．超声光栅与平面光栅有何异同？答：超声光栅是由超声波在液体中产生的光栅作用称作超声光栅。
平面衍射光栅是普通的光线衍射光栅。
2．为什么超声光栅的光栅常数等于超声波的波长？答：光栅的原理是利用波的衍射。
发生衍射现象的条件就是入射到光栅的波的波长和光栅常数可比拟。
超声光栅的入射波是超声波，则光栅常数就等于超声波波长。
3．测量谱线的位置时，测微目镜的读数鼓轮为什么只能沿一个方向旋转？答：物理实验仪器中齿轮结构中存在的间隙导致位移传递过程中，只沿着单向移动时是稳定的。
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。
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超声光栅测量声速
【实验目的】
1、初步了解声光调制的理论
2、了解并学习超声光栅声速仪的原理和使用
3、利用超声光栅声速仪测量超声波在水中的传播速度
【实验仪器】
WSG —1型超声光栅声速仪（信号源、液体槽、锆钛酸铝陶瓷片），分光计，测微目镜，低压汞灯
【实验原理】
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。
在距离等于波长A 的两点，液体的密度相同，折射率也相同。
超声波在传播时，被液体槽面反射产生反射波，在一定条件下，前进波与反射波叠加会形成纵向的超声驻波。
由于驻波的振幅可以达到单一行波的两倍，这样就加剧了波源与反射面之间液体的疏密化程度。
此时，装置中的液体就等效为液体光栅。
当平行光沿垂直于超声波传播的方向通过上述液体光栅时，就会出现和平行光通过透射光栅的情形类似的衍射现象，类似于光栅，称为超声光栅。
该现象称为超声致光衍射（声光效应）。
sin ,sin k
k k L A K f
φλφΔ==
其中k L 为衍射光谱零级至K 级的距离；
f 为透镜的焦距（JJY 分光计170f mm =）。
所以超声波波长： sin k k
k K K f f
A L L λλλφ=
==Δ
超声波在液体中的传播速度：k
f v A L λγ
γ==
Δ
式中γ为振荡器和锆钛酸铅陶瓷片的共振频率。
k L Δ为相邻两条同色衍射条纹之间的距离。
【实验内容】
1、按分光计的调节方法调节好分光计（具体调节要求有哪些？）
2、将待测液体注入液体槽内，使液面的高度恰好与液体槽侧面的高度刻线相等。
3、将液体槽座卡在分光计载物台上，放置平稳后用螺钉锁紧。
4、把液体槽（超声池）放置在液体槽座中，并使超声池两侧的表面垂直于望远镜和平行光管的光轴。
，镜中观察衍射条纹，仔细调节频率微调旋钮，使衍射光谱的级次增多射条纹和读数。
纹间距的平均值。
【数贡蓝光5、将两根连接线一端各插入液体槽盖板上的接线柱中，另一端与超声光栅仪电源的高频信号输出端相连然后将液体槽盖板盖在液体槽上。
6、开启超声信号源电源，从阿贝目且明亮（此时的电振频率与锆钛酸铝陶瓷片的固有频率共振）。
7、取下阿贝目镜，换上测微目镜并调整，使之能清晰的观察到衍8、利用测微目镜逐级测量衍射条纹的位置并填入下列表格中，并利用逐差法求出条9、根据声速计算公式求出不同波长下的声速，取其平均值从而得到该液体中的声速。
据处理】
，贡黄光578.0nm λ=，贡绿光546.1nm λ=435.8nm λ
=，
， MHz γ=
170.0f mm =测微目镜中衍射条纹位置读数（mm）
用逐差法计算各色光衍射条纹的平均间距
光 色 衍射条纹的平均间距（mm）
声速（m /s）
黄 绿 蓝
意事项】 超声信号源连续工作时间不得超过30分钟！ 【注【思考练习】 影响衍射条纹清晰度的有哪些因素？。