超声光栅实验_
超声光栅试验
八、思考题：
1、 什么叫超声光栅？超声光栅与平面透射光栅有何异同？ 2、 根据驻波理论，相邻两波腹或波节间距离均为半波长，为何超声光栅的光栅常数等于超
声波波长？
3、 能否用钠灯作光源？ 4、 分析误差产生原因? 附录：逐差法
逐差法就是当一组数据比较多，如果要求最小值和最大值之间的平均间距(通常是等间 距的)时候，如果直接用首尾两数相减，那么中间的数据对于整个平均结果的影响就看不出 来，这时候采用逐差法。
拨定选择开关 1 号键向右边时，定时关闭，即选不定时。 拨定选择开关 1 号键向左边，2 号键向左边时，定时选定为 60 分钟。 拨定选择开关 1 号键向左边，2 号键向右边，3 号键向左边时，定时选定为 90 分钟。 拨定选择开关 1 号键向左边，2、3 号键向右边，4 号键向左边时，定时选定为 120 分钟。 9、开启超声信号源电源，频率显示窗首先会显示被选定的时间数，数秒后显示当时的震荡 频率，被选时间达到前一分钟，超时报警灯开始连续闪烁，然后仪器自动停止工作，进 入 10 分钟倒记时关机保护，此时保护状态指示灯亮；保护状态结束后，仪器将自动开机， 并进入正常工作状态。 10、从阿贝目镜观察衍射条纹，仔细调节频率微调，使电振荡频率与 PZT 晶片固有频率共 振，此时，衍射光谱的级次会显著增多且更为明亮。 11、如果此前分光计已调节到位，左右转动超声池（通过调节分光计螺钉，细微转动分光计 载物台或游标盘），使射于超声池的平行光束完全垂直于超声束，同时观察视场内的衍射 光谱左右级次亮度及对称性，直到从目镜中观察到稳定而清晰的左右各 3 到 4 级的衍射 条纹为止。 12、取下阿贝目镜，换上测微目镜，调焦目镜，使清晰观察到衍射条纹。利用测微目镜逐级 测量其位置读数（例如：从－3、··· 、0、··· 、＋3），再用逐差法计算各色光衍射条 纹平均间距。
超声光栅实验
超声光栅实验【实验目的】（1）了解超声致光衍射的原理。
（2）利用声光效应测量声波在液体中的传播速度。
【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。
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4.2.1 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4.2.1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λ，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λ/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。
超声光栅实验报告
超声光栅实验报告一、实验背景介绍超声光栅是由光学叠加和声学叠加两个物理效应综合而成的一种光学装置。
其基本原理是在光路中设置超声波振动源和光栅，利用超声波的自然调制能力从而实现了光场的调制。
在超声光栅中，麦克风将声信号通过调制速度变化并传递至声光晶体上，从而形成了光学调制。
超声光栅的主要应用包括回波测距、声光调制、光学滤波等。
本实验主要是探究超声光栅的基本原理和应用，结合实验过程和结果，对超声光栅撰写一份实验报告。
超声光栅具有声光调制的基本原理，即在光学信号的传输过程中通过外加声波的调制，从而实现光场的调制。
超声光栅主要由声光晶体、激光器、检光器、超声波振动源和信号处理部分组成。
1.声光晶体声光晶体是指通过特定的光折射介质，使光波与机械振动的耦合相互作用，并且产生相应的全息衍射现象。
声光晶体不仅可以将光学信息转化为声学信息，还可以将声学信息转化为光学信息。
2.超声波振动源超声波振动源主要是利用压电板能够在电力作用下产生振动的特性，通过外加电压来实现振动的控制。
一般采用的超声波源为50kHz左右的振动频率，通过改变频率和振幅来改变其调制光学信号的能力。
3.信号处理部分信号处理部分主要是利用检光器进行光信号的检测与处理，并且可以将检测到的反馈信号通过数字化等处理，从而对声光晶体的特性进行更加准确的控制和调节。
三、实验器材与步骤1.实验器材（1）激光器（4）振荡器（6）频率计（7）可变电压源（8）数字存储示波器2.实验步骤（1）将激光器和声光晶体结合起来，并且在光路中设置超声波振动源。
（2）调整超声波源的频率，使其与声光晶体产生谐振现象，并且获得最佳光学调制效果。
（3）串联检光器，利用数字示波器来检测光学信号的强度变化，并且通过改变声光晶体的特性对其进行控制。
（4）采用可变电压源对声光晶体进行调制，从而获得不同调制频率和幅度的超声光栅。
四、实验结果与分析在本次实验中，我们采用了调制频率为50kHz和声光晶体宽度为0.75cm的超声光栅，通过数字示波器得到了如下的调制图像。
超声光栅实验报告
超声光栅实验报告超声光栅实验报告引言：超声光栅是一种利用超声波与光波相互作用的技术，它可以实现高分辨率的光学成像。
本实验旨在研究超声光栅的原理、工作方式以及其在实际应用中的潜力。
一、超声光栅的原理超声光栅的原理基于声光效应和光栅效应的结合。
声光效应是指声波与光波之间的相互作用，当声波通过介质时，会引起介质中的折射率变化，从而改变光波的传播特性。
而光栅效应是指光波通过具有周期性折射率变化的介质时，会发生衍射现象，从而形成光栅图样。
超声光栅利用这两种效应的相互作用，实现了对光波的调制和控制。
二、超声光栅的工作方式超声光栅一般由超声发射器、介质和光探测器组成。
超声发射器产生超声波，将其传播到介质中。
介质中的声波通过声光效应改变了介质的折射率，从而形成了一个具有周期性折射率变化的光栅。
当入射光波通过光栅时，会发生衍射现象，形成衍射光栅图样。
光探测器可以检测到衍射光栅的强度分布，并将其转化为电信号输出。
三、超声光栅的应用超声光栅在许多领域都有广泛的应用。
其中，最常见的应用是在光通信领域。
超声光栅可以用来实现光信号的调制和解调，从而提高光纤通信的传输速率和容量。
此外，超声光栅还可以应用于光学成像和光谱分析等领域。
通过调整超声波的频率和强度，可以实现对光波的调制和控制，从而获得高分辨率的光学成像结果。
四、超声光栅的优势与挑战超声光栅相比传统的光学技术具有许多优势。
首先，超声光栅可以实现对光波的高度可控性，可以调整超声波的频率和强度，从而实现对光波的高精度调制和控制。
其次，超声光栅具有高分辨率和高灵敏度的特点，可以实现对微小变化的检测和测量。
然而，超声光栅的应用还面临一些挑战。
例如，超声光栅的制备和调试过程较为复杂，需要较高的技术要求和设备支持。
此外，超声光栅在实际应用中还需要进一步解决光损耗、杂散光等问题。
结论：超声光栅作为一种新兴的光学技术，具有广阔的应用前景。
通过对超声光栅的原理、工作方式和应用进行研究，我们可以更好地理解超声光栅的特点和优势，并为其在实际应用中的进一步发展提供参考。
超声光栅实验
20℃时，水（H2O）中标准声速vS=1480.0m/s
V t V 0(tt0)= 1480＋2.5×（13.7－20）
＝1464 m/s
E V t V 1 0 0 % 1 4 6 4 1 4 3 7 1 0 0 % 1 .8 %
V t
1 4 6 4
注意事项
1.调节个器件时，注意保持其同高共轴同轴等高的 调节，以凸透镜1光轴为主光轴；
10．微调超声光栅仪上的调频旋钮，使信号源频率 与压电陶瓷片谐振频率相同，此时，衍射光谱的级次会 显著增多且谱线更为明亮。微转液槽，使射于液槽的平 行光束垂直于液槽，同时观察视场内的衍射光谱亮度及 对称性。重复上述操作，直到从目镜中观察到清晰而对 称稳定的2–4级衍射条纹为止（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。
数据处理要求
注意事项
思考题
实验简介
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。
极化并形成晶体表面电荷的现象称为压电效应。当机械应力
由压应力变成拉应力时，电荷符号也改变。
•
电致伸缩效应：与压电效应相反，将具有压电效应的电
介质晶体置于电场中，电场的作用引起电介质内部正负电荷
中心产生相对位移，而这一位移又导致介质晶体发生形变，
晶体的这种由外加电场产生形变的现象称为逆压电效应也叫
电致伸缩效应。晶体形变的大小与外加电场强度成正比，当
超声光栅实验报告
超声光栅实验报告引言超声光栅技术是一种利用超声波和光学原理相结合的测量技术，它可以通过探测声波在材料中传播的变化来获取材料的信息。
本实验旨在通过搭建超声光栅实验装置，研究超声波传播的特性，并检测不同材料的声速。
实验装置实验装置主要由超声波发射器、超声波接收器、光栅、透镜、光电检测器等组成。
超声波发射器用于产生超声波信号，超声波接收器用于接收声波信号并将其转换为电信号。
光栅则用于通过光学方法来检测超声波的传播情况，透镜用于聚焦光栅接收到的光信号，光电检测器用于将光信号转换为电信号。
实验步骤1.搭建实验装置：将超声波发射器和接收器固定在合适位置，并将光栅、透镜和光电检测器依次安装在相应位置。
2.调试超声波发射器和接收器：通过调节超声波发射器和接收器的位置和参数，确保二者之间的传播路径畅通无阻，并能够正常地发送和接收超声波信号。
3.发射超声波信号：通过超声波发射器产生超声波信号，并将信号通过光栅进行传播。
观察并记录光栅上的干涉条纹情况。
4.接收光信号：使用透镜将光栅上的光信号聚焦在光电检测器上，并将光信号转换为电信号。
5.分析数据：利用电信号的特性，通过计算和比较不同材料中超声波的传播时间，得到不同材料的声速。
实验结果通过实验我们得到了不同材料的声速数据，并进行了统计和分析。
材料声速 (m/s)空气343水1480铝6320材料声速 (m/s)钢5960结果分析根据上述数据，我们可以看出不同材料的声速差异很大。
空气的声速最低，而钢的声速最高。
这是因为声速与材料的密度和弹性模量有关。
空气的密度和弹性模量都很低，所以声速也较低。
相比之下，水、铝和钢的密度和弹性模量都较高，因此它们的声速也较高。
实验误差在实验过程中，可能会遇到一些误差，导致实验结果与理论值有所偏差。
可能的误差来源包括仪器误差、操作误差和环境影响等。
为了减小误差，我们应该精确地测量实验数据，并对数据进行合理处理和分析。
实验改进为了进一步提高实验的准确性和可靠性，我们可以进行以下改进措施： 1. 提高仪器的精确度：选择高精度的超声波发射器、接收器和光电检测器，以减小仪器误差。
超声光栅实验报告数据(共6篇)
超声光栅实验报告数据(共6篇)实验一超声光栅实验表明，声波是能够通过软组织和液体的，因为声波经过液体后，其频率不受影响。
因此，声波成为医学诊断领域最重要的手段之一。
本实验的目的是研究利用超声光栅进行超声波的干涉测量。
我们使用一个超声波发生器，将超声波发射至水槽中的另一个超声波接收器处。
在发射时，我们使用一个移动彩色条形图形装置，以获得超声波的移动干涉条纹，这一现象证明声波存在波动性。
通过对实验数据的处理，我们得到了干涉条纹的波长为121.03μm。
这一结果准确地说明了波长的概念，在超声光栅中，声波作为波动的媒介，在过程中具有波动性。
本实验是对超声光栅进行干涉实验研究的。
我们使用干涉仪器对激光光源和超声波光源进行干涉，获得光强分布曲线，获得了光强分布的相位差和光强分布的和平方。
实验结果表明，如果超声波光源与光源的光强分布不同，那么光强分布曲线将不同，并且波幅也会发生改变。
同时还发现，当两个光源的光强分布相同时，光强分布的干涉图也会相同。
本实验是研究超声波在双晶的干涉衍射中的应用。
我们使用超声波进行干涉衍射实验，发现了超声波的衍射效应。
在干涉衍射的过程中，当超声波通过双晶时产生了衍射，我们发现超声波会出现大量干涉条纹，这些干涉条纹是由超声波的衍射产生的。
同时，我们还发现干涉衍射效应是可以被控制的，因此可以通过调整叉栅的间距和双晶的方向来控制干涉条纹的数量和位置。
超声光栅实验表明，在介质中传输的声波会发生折射和反射现象。
本实验就是利用超声波的折射现象，研究了声波在不同介质中的折射率。
通过对不同介质中的声波传输进行实验，我们发现不同介质之间的折射率存在巨大的差异，这是因为不同介质的物理结构和物理性质不同。
同时，我们还发现折射率可以通过改变介质的相对密度和温度来调节。
本实验的目的是研究利用超声光栅的多路径衍射和干涉现象，测量介质中的声速。
我们在实验中使用了超声波发射器和接收器，测量同一位置的多条声波路径上的信号。
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。
超声光栏实验实验报告
一、实验目的1. 了解超声光栅的产生原理及其应用。
2. 掌握声波对光信号调制的机制。
3. 通过测量液体中的声速，加深对声学和光学物理概念的理解。
二、实验原理超声光栅是一种利用声波在介质中传播时产生的衍射现象，对光信号进行调制的装置。
当超声波作为一种纵波在液体中传播时，声压会使液体分子产生周期性变化，进而引起液体折射率的周期性变化，形成疏密波。
此时，若平行单色光沿垂直于超声波方向通过疏密相间的液体，就会被衍射，类似于光栅，故称为超声光栅。
实验中，超声波传播时，若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。
由于驻波的小振幅可以达到单一行波的两倍，加剧了波源和反射面之间的疏密程度。
在某时刻，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边散开形成稀疏区，而相邻波节处又形成密集区。
这一过程不断重复，形成一系列密集和稀疏的区域。
三、实验器材1. 超声光栅实验装置2. 液体介质（如水、油等）3. 光源（如激光器）4. 光电探测器5. 计时器6. 数据处理软件四、实验步骤1. 将超声光栅实验装置安装好，调整光源和光电探测器的位置，使其能够接收反射光。
2. 将液体介质倒入实验装置中，确保液体充满整个装置。
3. 打开超声波发生器，调整频率和功率，使超声波在液体中传播。
4. 测量光电探测器接收到的反射光强度，记录数据。
5. 改变超声波频率和功率，重复步骤3和4，记录不同条件下的数据。
6. 利用数据处理软件对实验数据进行处理，分析声波对光信号的调制机制。
五、实验结果与分析1. 实验结果显示，随着超声波频率和功率的增加，光电探测器接收到的反射光强度也随之增加。
这说明超声波对光信号的调制作用随着声波强度的增大而增强。
2. 通过对实验数据的分析，可以得出以下结论：- 超声波在液体中传播时，会对光信号进行调制，形成一系列密集和稀疏的区域。
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、掌握分光计的使用方法。
二、实验原理当超声波在液体中传播时，液体的疏密分布会发生周期性变化，从而形成超声光栅。
类似于光学中的光栅，超声光栅可以使入射光发生衍射。
根据光栅衍射方程，衍射条纹的位置与光栅常数、入射光波长以及衍射级数有关。
在超声光栅实验中，光栅常数等于超声波的波长。
超声波在液体中的传播速度 v 与超声波的频率 f 和波长λ 之间的关系为 v ＝fλ。
通过测量衍射条纹的间距和分光计的角度，可计算出超声波的波长，进而求得声速。
三、实验仪器分光计、超声光栅实验仪、钠光灯、测微目镜等。
四、实验步骤1、仪器调节（1）将分光计调节至水平状态，使望远镜、平行光管的光轴与中心转轴垂直。
（2）调节望远镜，使其能够清晰地看到叉丝和反射回来的十字像。
2、超声光栅的产生（1）在超声光栅实验仪的液槽中注入适量的待测液体（如水）。
（2）打开超声光栅电源，调节频率，使液体中产生稳定的超声光栅。
3、观察衍射条纹（1）将钠光灯作为光源，通过平行光管照射液槽中的超声光栅。
（2）在望远镜中观察衍射条纹，并调节测微目镜，使条纹清晰可见。
4、测量衍射条纹间距（1）转动望远镜，测量各级衍射条纹与中央条纹的间距。
（2）为减小误差，对同一级条纹进行多次测量，并取平均值。
5、测量衍射角（1）根据分光计的读数系统，读取各级衍射条纹对应的角度。
（2）同样进行多次测量，求平均值。
6、数据处理与计算（1）根据测量得到的条纹间距和衍射角，利用光栅衍射方程计算超声波的波长。
（2）已知超声波的频率，计算出声速。
五、实验数据及处理以下是实验中测量得到的数据：｜衍射级数|条纹间距（mm）｜衍射角（度）｜｜｜｜｜｜1|＿____|＿____|｜2|＿____|＿____|｜3|＿____|＿____|根据光栅衍射方程dsinθ ＝kλ（其中 d 为光栅常数，θ 为衍射角，k 为衍射级数，λ 为波长），可得波长λ ＝dsinθ ／ k 。
超声光栅实验报告
超声光栅实验报告引言：超声光栅是一种用于测量物体表面形变和位移的先进技术。
通过利用超声波与光学衍射的相干性，可以非常精确地测量物体的形变和变化。
本报告将介绍超声光栅的原理、实验步骤和结果。
1. 实验目的本实验的主要目的是利用超声光栅技术，测量一个物体在受外力作用下的位移。
2. 实验原理2.1 超声光栅原理超声光栅技术的核心是利用超声波和光学衍射的相互作用。
当超声波通过物体表面时，会引起表面发生微小的位移，而这种位移会对光的传播产生衍射效应。
利用这种现象，我们可以通过测量光的衍射干涉图案的变化，来精确测量物体的微小位移。
2.2 具体测量原理在超声光栅实验中，首先我们需要将物体固定在一块透明的基板上。
当超声波垂直入射到物体表面时，会形成一系列的超声波源，这些超声波源会引起入射光的相位改变。
而当光线衍射到光栅表面时，会产生一系列的干涉条纹。
通过测量这些干涉条纹的变化，我们可以得到物体微小位移的信息。
3. 实验步骤3.1 实验装置组装首先，我们需要组装超声光栅的实验装置。
这个装置一般由光学系统、超声发射器和探测器组成。
光学系统用于产生和探测干涉图案，超声发射器用于产生超声波，探测器用于接收超声波。
3.2 调整光路在实验开始之前，我们需要调整光路，保证光线正确入射和衍射。
通过调整透镜的位置和角度，可以使得光线垂直入射并产生清晰的干涉条纹。
3.3 固定物体和超声发射器将待测物体固定在透明的基板上，并将超声发射器放在合适的位置。
确保超声波直接和物体表面接触，并且发射器的位置稳定。
3.4 进行位移测量启动超声发射器，产生超声波。
同时，观察并记录干涉条纹的变化。
通过分析干涉条纹的移动情况，可以得到物体在超声波作用下的位移。
4. 实验结果4.1 干涉条纹图案在进行位移测量的过程中，我们观察到了一系列的干涉条纹。
根据不同干涉条纹的间距和移动方向，我们可以准确地测量物体的位移大小和方向。
4.2 位移-时间曲线通过对测量数据的处理，我们可以得到位移-时间曲线。
超声光栅实验报告
超声光栅实验报告一、引言超声光栅是一种利用超声波和光栅相互作用的实验装置。
通过超声波的传播，可以形成光栅，进而产生干涉效应，利用此效应可以进行一系列的实验研究。
本实验旨在通过搭建超声光栅实验装置，探索超声波和光栅的相互作用规律。
二、实验装置本实验所使用的装置主要包括超声波发生器、超声波振荡器、光栅、干涉条纹显示仪等部分。
超声波发生器用于产生超声波，并将超声波信号输入到超声波振荡器中。
超声波振荡器则将超声波信号转化为机械振动，通过光栅把超声波转化为光栅信号。
最后，干涉条纹显示仪会显示出超声光栅的干涉条纹。
三、实验步骤1.首先，将超声波发生器与超声波振荡器连接起来。
确保连接稳固，并调节超声波发生器的频率为合适的数值。
2.将光栅放置在超声波振荡器的旁边，确保超声波振荡器的机械振动能够传递给光栅。
3.打开干涉条纹显示仪，调节其参数，使其能够显示出光栅的干涉条纹。
4.打开超声波发生器和超声波振荡器，观察干涉条纹的变化。
可以尝试调节超声波发生器的频率，观察干涉条纹的变化情况。
5.记录观察到的干涉条纹的特征。
可以通过改变光栅的位置或角度来观察条纹的变化情况。
6.结束实验后，关闭所有设备并整理实验装置。
四、实验结果与讨论根据实验步骤，我们观察到了光栅的干涉条纹并记录了其特征。
实验中发现，当超声波的频率改变时，干涉条纹的间距也会发生变化。
当超声波频率较低时，干涉条纹的间距较大，条纹较稀疏；而当超声波频率较高时，干涉条纹的间距较小，条纹较密集。
这一现象可以通过光栅的行走波理论来解释。
行走波理论认为，光栅中存在着行走波，即超声波在光栅中的传播方式。
当超声波频率改变时，行走波的频率也会发生变化，进而影响干涉条纹的间距。
这与实验结果相吻合。
此外，实验中还观察到了当调节光栅的位置或角度时，干涉条纹的样貌也会发生变化。
这可以通过光栅的几何学理论来解释。
光栅的位置或角度变化会导致入射光的相位发生改变，从而影响干涉条纹的形态。
这也与实验结果相一致。
超声光栅实验实验报告
1. 了解超声光栅的产生原理及其在声学中的应用。
2. 掌握利用超声光栅测量超声波在液体中传播速度的方法。
3. 增强对声学、光学和物理概念的理解。
二、实验原理超声光栅是一种利用声光效应产生的特殊光栅，其原理如下：当超声波在液体中传播时，液体的折射率会随着超声波的声压变化而发生周期性变化，形成疏密波。
当平行单色光垂直于超声波方向通过这种疏密相间的液体时，光波会被衍射，类似于光栅，因此称为超声光栅。
超声光栅具有以下特点：1. 光栅间距与超声波频率成正比。
2. 光栅间距与液体中的声速成反比。
3. 光栅间距与液体介质的折射率成正比。
利用超声光栅测量超声波在液体中的传播速度，可以通过测量光栅间距和已知超声波频率，根据公式计算得出。
三、实验仪器1. GSG-1型超声光栅声速仪2. 超声发生器（工作频率9~13MHz）3. 换能器4. 液槽5. JJY-1型分光仪（物镜焦距f=168mm）6. 测微目镜（测微范围8mm）7. 放大镜8. 待测液及光源（钠灯或汞灯）1. 将待测液体倒入液槽中，调整液面高度，确保换能器能够完全浸入液体。
2. 开启超声发生器，调节频率至实验要求的工作频率。
3. 将换能器固定在液槽中，使其与液体充分接触。
4. 调整分光仪，使光束垂直于液面，并调整光束位置，使其通过换能器。
5. 观察分光仪上的光栅衍射条纹，并使用测微目镜测量光栅间距。
6. 记录实验数据，包括超声波频率、光栅间距、液体温度等。
五、实验结果与分析1. 根据实验数据，利用公式计算超声波在待测液体中的传播速度。
2. 对实验结果进行分析，讨论实验误差的来源，并提出改进措施。
六、实验总结本次实验成功实现了利用超声光栅测量超声波在液体中传播速度的目的。
通过实验，加深了对声光效应、超声光栅和声速测量的理解。
同时，实验过程中也发现了实验误差的来源，为今后的实验提供了参考。
七、实验讨论1. 实验过程中，如何减少实验误差？2. 超声光栅在实际应用中具有哪些优势？3. 如何提高超声光栅测声速的精度？八、参考文献[1] 超声光栅实验报告. 西安理工大学实验报告. 普通物理实验.[2] 超声光栅测声速实验报告. 中国知网.[3] 光栅衍射实验报告. 中国知网.。
超声光栅实验及数据处理
超声光栅实验及数据处理超声光栅实验是一种用于研究超声波在光学介质中传播特性的实验方法。
在超声光栅实验中，超声波的频率通常在几十兆赫至几百兆赫之间，声波的传播速度和光波的传播速度相比，可以忽略不计。
因此，可以利用光波在超声波中传播时的干涉现象，观察到超声波对光波的调制作用，以及超声波自身存在的衍射现象。
本文将对超声光栅实验及数据处理进行介绍。
一、实验原理超声光栅实验利用了超声波对光学介质的调制作用，将一束单色光照射到超声波的波面上，由于超声波的调制作用，单色光被衍射成多个不同频率的光束，这些光束之间会发生干涉作用，从而在空间上呈现出明暗相间的条纹。
二、实验装置超声光栅实验的实验装置包括以下几个部分：1.激光器：产生一束单色、平行、连续的光束。
2.光学系统：将激光器产生的光束聚焦到超声波的波面上，同时接收衍射后的光束。
3.超声波发生器：产生一定频率的超声波。
4.示波器：观察干涉条纹。
三、实验步骤1.将激光器产生的光束通过光学系统聚焦到超声波的波面上。
2.开启超声波发生器，调整超声波的频率和振幅。
3.调整光学系统的位置和角度，使衍射后的光束能够照射到示波器上。
4.观察示波器上的干涉条纹，记录不同位置和不同频率下的干涉条纹情况。
5.关闭超声波发生器，调整光学系统的位置和角度，使衍射后的光束能够照射到光谱仪上。
6.对光谱仪上的衍射光谱进行分析和处理。
四、数据处理在实验结束后，需要对实验数据进行处理和分析。
具体包括以下几个步骤：1.对干涉条纹进行拍照，利用图像处理软件对干涉条纹进行定性和定量分析，得到干涉条纹的间距和亮度分布等信息。
2.对衍射光谱进行拍照和测量，得到不同频率下的衍射光谱强度和相位等信息。
3.利用干涉条纹的信息和衍射光谱的信息，对超声波的频率、振幅、相位等参数进行测量和计算。
4.根据测量和计算得到的结果，对实验数据进行进一步的处理和分析，例如绘制曲线图、计算相关物理量等。
5.对实验结果进行分析和讨论，得出相应的结论。
超声光栅实验报告
超声光栅实验报告一、实验目的本实验的主要目的是通过超声光栅实验，掌握超声波在介质中的传播规律，了解光栅原理及其应用，学习使用超声光栅测量物体的尺寸和形状等参数。
二、实验原理1. 超声波在介质中的传播规律当超声波穿过介质时，会发生反射、折射和散射等现象。
其中，反射是指超声波遇到界面时部分能量被反射回来；折射是指当超声波从一个介质进入另一个介质时，会发生方向改变；散射是指当超声波遇到不均匀性介质时，会发生随机散射。
2. 光栅原理及其应用光栅是一种具有周期性结构的光学元件，其作用是将入射光分解为不同频率的衍射光。
在超声光栅实验中，利用光栅原理可以将超声波转换成可见光信号进行测量。
3. 超声光栅测量物体参数在超声光栅实验中，可以通过测量衍射图案中条纹的间距和角度等参数，计算出物体的尺寸和形状等信息。
三、实验步骤1. 准备实验仪器及材料，包括超声光栅装置、示波器、信号发生器、测量卡尺等。
2. 将超声光栅装置放置在被测物体旁边，调整其位置和角度，使其与被测物体成一定角度。
3. 连接信号发生器和示波器，并设置合适的频率和幅值。
4. 打开示波器，并观察衍射图案。
根据图案中条纹的间距和角度等参数，计算出被测物体的尺寸和形状等信息。
5. 重复以上步骤，测量多个角度下的衍射图案，并对比分析数据。
四、实验结果与分析通过本次实验，我们成功地利用超声光栅装置对不同形状的物体进行了测量。
在实验过程中，我们发现当超声波入射角度改变时，衍射图案中条纹的间距会发生变化。
因此，在进行测量时需要注意调整超声光栅装置的位置和角度。
五、实验总结本次实验通过使用超声光栅装置，成功地测量了不同形状的物体。
通过实验，我们深入了解了超声波在介质中的传播规律和光栅原理及其应用。
同时，我们也掌握了使用超声光栅测量物体参数的方法和技巧。
通过本次实验，我们不仅加深了对超声光栅实验的理解，还提高了实验操作能力和数据分析能力。
大学物理超声光栅实验报告
大学物理超声光栅实验报告一、实验目的1、了解超声光栅产生的原理。
2、学会使用分光计测量液体中的声速。
3、掌握利用超声光栅测量波长和频率的方法。
二、实验原理当一束平面光波通过液体时，如果液体中存在超声波，则会引起液体的折射率发生周期性变化，形成超声光栅。
类似于普通的光学光栅，超声光栅也能使入射光发生衍射。
假设超声波在液体中的传播方向与光波的传播方向垂直，超声波的波长为λs，频率为fs，波速为vs，则液体中折射率的变化可以表示为：n ＝ n0 ＋Δn sin （Kx ωt)其中，n0 为液体的平均折射率，Δn 为折射率的变化幅度，K ＝2π/λs 为超声光栅的光栅常数，ω ＝2πfs 为角频率。
当平行光垂直入射到超声光栅上时，会产生衍射现象。
衍射条纹的位置与光波的波长λ、超声光栅的光栅常数 K 以及衍射级次 m 有关，可以用光栅方程表示：d sinθm ＝mλ （m ＝ 0，±1，±2，）其中，d 为光栅常数（在超声光栅中即为 K 的倒数），θm 为第 m 级衍射条纹的衍射角。
通过测量衍射条纹的间距和衍射角，可以计算出光波的波长和液体中的声速。
三、实验仪器分光计、超声光栅实验仪、汞灯、望远镜、载物台等。
四、实验步骤1、调整分光计调节望远镜，使其能够清晰地看到叉丝和十字反射像。
调整平行光管，使其发出平行光。
使望远镜和平行光管的光轴都与分光计的中心轴垂直。
2、放置超声光栅和汞灯将盛有液体的超声光栅盒放置在分光计的载物台上。
打开汞灯，使其光线通过超声光栅。
3、观察衍射条纹通过望远镜观察汞灯通过超声光栅后的衍射条纹。
调节载物台，使衍射条纹清晰可见。
4、测量衍射条纹的间距和衍射角转动望远镜，测量各级衍射条纹与中央条纹的间距。
利用游标盘测量各级衍射条纹对应的衍射角。
5、更换液体，重复实验更换不同的液体，重复上述步骤，进行对比实验。
五、实验数据记录与处理1、实验数据记录记录不同液体中各级衍射条纹与中央条纹的间距。
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实验45 用超声光栅测定液体中的声速
声光效应是指光波通过受到超声波扰动的介质时发生衍射的现象，这种现象是光波与介质中声波相互作用的结果。
由于超声波调制了液体的密度，使原来均匀透明的液体，变成折射率周期变化的“超声光栅”，当光束穿过时，就会产生衍射现象，由此可以准确测量声波在液体中的传播速度。
早在1921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，十年后，P.J.W.德拜和F.W.西尔斯以及R.卢卡斯和P.Biquard 分别观察到了声光衍射现象。
上世纪六十年代后，随着激光技术的出现以及超声技术的发展，使声光效应得到了广泛的应用。
如制成声光调制器和偏转器，可以快速而有效地控制激光束的频率、强度和方向。
目前，声光效应在激光技术、光信号处理和集成通讯技术等方面有着非常重要的应用。
【实验目的】
1. 了解超声致光衍射原理。
2. 用超声光栅测量液体中的声速。
【实验内容】
1. 了解声光效应的实验原理。
2. 学习利用超声光栅测量液体中的声速。
3. 学习光路准直的调节以及读数显微镜的使用方法
【实验仪器】
实验装置由超声信号源、低压钠灯、光学导轨、光狭缝、透镜、超声池、测微目镜以及高频连接线等组成。
【实验原理】 压电陶瓷片
（PZT ）在高频信号源所产生的交变电场的作用下，发生周期性
的压缩和伸长振动，
该振动在液体中的传播就形成超声波。
超声波在液体中传播分为行波和驻波两种形式。
当一束平面超声
波行波在液体中传播时，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压缩与膨胀，使液体的密度在波传播方向上发生周期性的变化，形成所谓疏密波。
液体密度的周期性变化，必然导致液体的折射率也做同样变化，如同一个相位光栅。
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形式运动的，如果实验
z z 超声光栅实验光路图
中，使超声波在有限尺寸的超声池内形成稳定的驻波，由于驻波振幅可以达到行波振幅的两倍，从而加剧液体疏密变化的程度，因此，当平行光入射时更易于对衍射现象的稳定观察。
实验光路如图45-1所示，图中S 为光源狭缝，L 1、L 2为透镜。
若超声行波以平面波的形式沿Z 轴正方向传播，波动方程可写为
)(
2cos s
s m z
T t A y λπ−= （45-1） 式中y 代表各质点沿Z 方向偏离平衡位置的位移，A m 表示质点的最大位移量，T s 为超声波的周期，s λ为超声波的波长。
如果超声波被液槽的垂直于Z 轴的平面反射，将会反向传播，当反射平面距波源为波长四分之一的奇数倍时，入射波与反射波分别为
)(
2cos 1s s m z T t A y π−= (
2cos 2s
s m z T t A y λπ+= 两者叠加得
s
s
m T t
z
A y y y π
λπ
2cos 2cos 221=+= （45-2） 由上式可以看出，叠加的结果为驻波，沿Z 方向各点的振幅为)/2cos(2s m z A λπ，它是Z 的函数，随z 呈周期性的变化，但不随时间变化，位相s T t /2π是时间t 的函数，但不随空间变化。
驻波形成以后，在某一时刻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，而与该节点相邻的两波节附近成为质点稀疏区，且在波腹处密度保持不变。
在半个周期以后，2T t +，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，相邻的两波节附近变为质点密集区，波腹处密度不变。
图45-2为在某t 和2s T t +两个时刻驻波波形、液体疏密分布和折射率n 的变化曲线。
由图可见，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s λ，为液体中传播的行波的波长，距离等于波长s λ的任何两点处，液体的密度相同，折射率也相等。
由光路图45-1所示，当单色平行光通过超声光栅时，由于光速远大于液体中的声速，可以认为光波通过液体的过程中液体的疏密度及其折射率的周期变化没有明显改变，即对光波来说，超声光栅可以看作是静止的。
因此，光线衍射的主极大位置可由光栅方程决定， λφk d k =sin ),2,1,0(⋅⋅⋅±±=k （45-3）
式中k φ为k 级衍射角，λ为光波波长，s d λ=，即超声波波长s λ相当于光栅常数。
实际上
由于k φ角很小，可以认为 f
l k
k =
φsin （45-4） 其中k l 为衍射零级光谱线至第k 级光谱线的距离，f 为透镜2L 的焦距，所以超声波的波长
s λ可表为
k
k s l f
k k λφλλ==
sin （45-5） 超声波在液体中的传播速度： k
s l f k v V ν
λλ=
= （45-6） 式中v 为信号源的振动频率。
【实验要求】
1. 搭建光路，将器件按图45-1放置，打开低压钠灯光源，调节钠灯位置，使钠灯照射在狭
缝上，并且上下均匀，左右对称，光强适宜。
2. 调节狭缝与透镜L 1的位置，使狭缝中心法线与透镜L 1的光轴（即主光轴）重合。
二者
间距为透镜L 1的焦距（建议透镜焦距用自准直法自行测量）。
3. 调节透镜L 2与测微目镜的高度，使二者光轴与主光轴重合。
调焦目镜，使十字丝清晰。
4. 将待测液体（如蒸馏水、乙醇或其他液体）注入液槽，将液槽放置于固定支架上，放置
时，使液槽两侧表面基本垂直于主光轴。
5. 将两根高频连接线的一端接入液槽盖板上的接线柱，另一端接入超声光栅仪上的输出端，
打开超声信号源电源。
6. 调节测微目镜与透镜L 2的位置。
使目镜中能观察到清晰的衍射条纹。
7. 前后移动液槽，从目镜中观察条纹间距是否改变，若是，则改变透镜L 1的位置，直到条
纹间距不变。
8. 微调超声光栅实验仪上的调频旋钮，使信号源频率与压电陶瓷片谐振频率相同，此时，
衍射光谱的级次会显著增多且谱线更为明亮。
微转液槽，使射于液槽的平行光束垂直于液槽，同时观察视场内的衍射光谱亮度及对称性。
重复上述操作，直到从目镜中观察到清晰而对称稳定的三级)3(±=k 衍射条件纹为止。
9. 利用微测目镜逐级测量并记录各谱线位置读数，测量时单向转动测微目镜鼓轮，以消除
转动部件的螺纹间隙产生的空程误差（例如：从-3、…、0、…、+3）。
【拓展内容】
观察并研究改变超声信号频率时，超声光栅衍射条纹的变化规律。
【注意事项】
1.压电陶瓷片表面与对面的液槽（超声池）壁表面必须平行，此时才会形成较好的驻波，实验时应将液槽的上盖盖平;当液面下降太多致使压电陶瓷片外露时，应及时补充液体至正常液面线处。
2.声光器件应小心轻放，不得冲击碰撞，否则将可能损坏内部晶体而报废。
3.超声信号源工作时不得空载，否则容易损害超声信号源。
4.实验时间不宜过长，否则会造成液体温度的变化影响测量。
5.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。
6.实验完毕应将被测液体倒出，不要将压电陶瓷片长时间浸泡在液槽内。
7.液体含有杂质时对测量结果影响较大，建议使用纯净水（市售饮用纯净水即可）、分析纯酒精或甘油等液体。
8.仪器长时间不用时，请将测微目镜收于保存盒中放置干燥剂；液槽应清洗干净，自然晾干后，妥善放置，不可让灰尘等污物侵入。
【数据处理及结果分析】
1. 用逐差法计算谱线衍射条纹平均间距。
2. 计算超声光栅的光栅常数及超声波在水中的声速V 。
【分析讨论题】
1. 驻波的相邻波腹或相邻波节的距离都等于半波长，为什么超声光栅的光栅常数等于超声
波的波长?
2. 从发生衍射的原理看超声光栅与普通光栅有何不同？
3. 怎样判断不平行光束垂直入射到超生光栅面？怎样判断压电陶瓷片处于共振状态？
【参考文献】
1 丁愼训，张连芳,物理实验教程（第二版）. 清华大学出版社. 2002.
2 沈元华，陆申龙.基础物理实验.北京：高等教育出版社.2003. 3
光学手册.陕西科技出版社.1986.
【附录】
1. 水中的理论声速：液体中的声速一般与液体的成分、液体的温度及大气压强有关。
1
个大气压（0.1MPa ≈）下，水中的声速可由以下经验公式求得
5
9463422100449.31045262.11031636.31079506.503358.5336.1402t t t t t V −−−−×+×−×+×−+=式中t 是水的温度，单位为℃；V 的单位为m s 。
2. 纯净液体中的声速
表中α为温度系数，对于其他温度的声速可近似按公式()00t t V V t −+=α计算。