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实验27 超声光栅衍射 实验报告 【实验目的】 1.掌握超声光栅原理 2.学会利用超声光栅测量液体中的声速 【实验仪器】 超声源，玻璃皿，激光器，光具座，会聚透镜，超声探头支架，金属白屏。 【原理概述】 1.超声光栅 具有弹性纵向的平面超声波，在液体介质中传播时，其声压时液体分子产生疏密交叠的变化，促使液体的折射率也相应的作周期性变化。这种疏密波也是折射率梯度传播的一种模式，形成的层次结构就是超声波的图像。光从垂直方向透射过超声场后，会产生折射和衍射。这一作用，类似光栅，所以叫做超声光栅。 超声光栅原理图 2.超声波的速度与介质的性质 超声波在介质中传播的性质，用声速和衰减度系数两个基本量来表述。超声波速度不仅与声压(p)、密度()、折射率(n)有关，而且还受到其他物理性质的影响，因此声速与许多重要的物理参数有关。 在正弦变化的声场中，超声波运动的速度，声压以及介质的密度和折射率的变化规律，都是类似的，都可以用波动方程表示。描述超声场中折射率周期性变化的表达式为： (1)其中为超声波的圆频率，为波矢量。 3、超声的驻波和行波 正弦超声平面波由垂直于玻璃皿底面的方向射于液体中，则声场中的压力波会被底面反射，形成与入射波同频率的一列反射波，这两列波的声压可分别表示为： (2)两列同频率的波相向传播时，依叠加原理，合成声场的声压为，即 (3)由上式可见，合成声场由两部分组成，第一项代表驻波场，第二项表示在y方向传播的平面波，其振幅为原先两列波振幅之差。若实验中弹性的平面波得到完全反射，则式(3)右边第二项可以略去，合成的超声波就是一个纯粹的驻波场。介质密度分布和折射率的分布也与驻波场的变化相一致。声压形成的光密处为波节，光疏处为波腹。 由于光向折射率大的的方面弯曲，波节处交迭地每隔半个周期呈现一次会聚强光。实验观察到的超声场的图像，是相对的长时间的平均效应。 4、超声衍射的观测 因光速度远大于声速，即，光线很快的通过了超声场，而折射率周期变化所形成的“超声光栅”可以认为是不动的，即把折射率的空间固定的看成： (4)这样所形成的超声光栅对光的衍射可表示为： (5)式(5)中 和分别为超声波和入射光的波长，为K级衍射角。由该式可知，如果测出，且已知，则可测出超声波的波长。若还知道超声波的频率f，则可求出超声波在该液体中的传播速度： (6)这是测量超声波传播速度的有效方法之一。 5、超声场的观测 光线经过液体时，在波节(光疏)处基本不发生偏转。因此当光线通过液体后透射到观测屏上，在波腹处产生出亮条纹，波节处为暗条纹。 通过测量透射在观测屏上的N条亮条纹间距d，利用下式 (7) (8)若知道超声波的频率f，则可求出超声波在该液体中的传播速度： (9) 【实验内容】 1．在光具座上按图搭好光路，并调节各原件至共轴，调节透镜的位置，使屏上出现清晰的激光点。 2．连上电路，把超声波探头置于超声池中，调节探头平面和池的底面平行，然后加上驱动信号，调节信号源的振荡频率，直到在屏上出现衍射条纹，仔细调节频率，探头和超声池之间的距离以及调整整个超声池的方位，直到屏上出现的条纹又多又清晰。 3．测量透镜中心到超声池中心的距离和超声池中心S1’ 到观测屏的距离S2 ，记下透镜的焦距F，多次测量，以求平均值，并计算出超声