超声光栅声速测定论文.doc

普通物理实验C 课程论文 题 目________________________ 学 院 _____________________ 专 业 _____________________ 年 级 _____________________ 学 号 _____________________ 姓 名 _____________________ 指 导 教 师 _____________________ 论 文 成 绩 _____________________ 答 辩 成 绩 _____________________ 2011 年 12 月 7 日 超声光栅声速测定 物理科学与技术学院 2 摘 要： 文章对用超声光栅衍射法测定液体声速的原理进行了阐述和分析 ,介绍了其实验方法。并重点讲述了CGS 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 ,并且计算了声波在水中的传播速度。最后对超声光栅衍射测量液体中声速的理论 , 进行了讨论。 关键词： 声速：超声光栅；驻波 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 应用。近年来， 随着激光技术的发展， 声在一定条件下，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，超声光栅是一种可擦除的实时光栅，它的光栅常数和位相调制深度可以通过超声波的频率和振幅来控制利用超声光栅产生的多普勒频移技术，在外差干涉测量等许多领域得到了广泛所以也称该介质为超声光栅近年来,随着激光技术的发展,声光相互作用又重新引起人们的注意,超声光栅已成为控制光的强度、传播方向等的实用方法之一,并得到日益广泛的应用。梅振林等人将超声光栅用于声速的测量,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。其中，CGS型超声光栅声速仪为大学物理实验仪器。进行研究发现，光相互作。 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。当压电晶体Q被信号发生器B激励产生超声波时，适当调节反射板E使槽内形成驻波。这时如果用具有一定扩散角度的线状光源垂直于声波方向照射液槽，在液槽的另一侧的专用光屏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，这是声波的自身放大像，及超声光栅的自身像。这里利用扩散线光源的目的主要是为了获得放大了的驻波像。专用光屏实际上是用在暗筒内安装了成像用的带有+字刻度的光屏和放大镜。通过观察窗口能够观察到放大了的明暗相间的条纹。驻波在声波的一个周期内，液体中的密集区（或稀疏区）经历“形成”、“消失”、“移位”、“再消失”的过程。这样，在驻波液体中存在着时间上相差半周期，空间上相对位移半波长的俩个交替的瞬间驻波状态，而这俩个瞬间状态自形成驻波像。 如图一，液体质点位移ar（运动方向用箭头表示），声压p和折射率n 随反射板距离的分布关系，图中画出了 t, t+入/4 ,t+入/2，三个瞬间。其中t和t+入/2恰好是驻波幅度最大的俩个瞬间，从图中可看出在这时间上相差半周期的俩个瞬间液体中密集区（稀疏区）的位置移动了半个波长。从图中还可以看出t+入/4瞬间，驻波处于消失状态。所以，一个驻波的周期存在t和t+入/2 俩次瞬间驻波像。但是由于超声波频率变化非常快，而人的视觉有暂留现象，无法感觉其迅速交替过程，结果我们在屏上见到的明暗相间条纹，交际上是上述俩个瞬间状态驻波影像的叠加，即其条纹间距对应于超声波的半波长。 图一在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 利用超声驻波像测定声波波长时，因为使用了发散光束，在光屏上得到的明暗相间条纹是放大了的驻波像，因此，屏上条纹间距不等于声波长。把信号发生器的一个输出端接在发射探头上，接收探头信号接到示波器的Y轴输入端。当仪器正常工作时，发射探头和接收探头之间产生干涉叠加。如果单方面改变俩者之间距离，那么，每当满足半个波长的整数倍时，都能形成驻波状态，可利用示波器观察接受探头所产生信号的周期性变化来测定