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《超聲光柵測量聲速》由會員上傳分享，免費在線閱讀，更多相關(guān)內(nèi)容在工程資料-天天文庫。
1、用超聲光柵測定液體中的聲速一、實驗?zāi)康模?）洋習(xí)聲光V實驗的設(shè)計思想及其基本的觀測方法。（2）測定超聲波在液體屮的傳播速度。（3）了解超聲波的產(chǎn)生方法。二、儀器用具分光計，超川光柵盒，高頻振蕩器，數(shù)字頻率計，納米燈。三、實驗原理將某些材料（如石英、覘酸鋰或錯鈦酸鉛陶瓷等）的晶體沿一定方向切割成晶片，在其表面上加以交流電壓，在交變電場作川F,晶片會產(chǎn)牛與外加電壓頻率相同的機械振動，這種特性稱為晶體的反壓電效丿應(yīng)。把具有反壓電效應(yīng)的晶片置于液體介質(zhì)屮，當(dāng)晶片上加的交變電壓頻率等丁-晶片的固有頻率時，晶片的振動會向周圍介質(zhì)傳播出去，就得到了最強
2、的超聲波。超聲波在液體介質(zhì)中以縱波的形式傳播，其聲壓使液體分子呈現(xiàn)疏密相同的周期性分布,形成所謂疏密波，如圖la）所示。由于折射率與密度有關(guān)，因此液體的折射率也呈周性變化。若用NO表示介質(zhì)的平均折射率，t時刻折射率的空間分布為N（yj）=+A7Vcos（?/-K$y）式屮an是折射率的變化幅度；3s是超聲波的波角頻率；Ks是超聲波的波數(shù)，它與超聲波波長Xs的關(guān)系為Ks=2n/Xso圖lb是某一時刻折射率的分布,這種分布狀態(tài)將隨時以超聲波的速度vs向前推進。b)圖1密度和折射率呈周期性分布G液體分子呈疏密相間的周期性分布b）折射率的周期性分
3、布如果在超聲波前進的方向上垂直放置-?表血光滑的金屬反射器，那么，到達反射器表血的超聲波將被反射而沿反向傳播。適當(dāng)調(diào)節(jié)反射器為波源Z間的距離則可獲得?其振駐波（縱駐波）。設(shè)前進波與反射波分別沿y軸正方向傳播，它們的表達式為$=AcosSj—K$y）§2=Acos（qj+K$y）其合成波為§=§+$=Acos(?-K$y)+$=Acos(?/+K$y)§=2AcosKsycoscost此式就是駐波的表達式。其中COS0/表示合成以后液體媒質(zhì)中各點都在各口的平衡位置附近作同周期的簡諧振動，但各點的振動為
4、AcosK』
5、,即振幅與位置y有關(guān)，振
6、幅最大發(fā)牛在
7、cosK、y=1處，對應(yīng)的y=htt/Ks-nAs/2（n=0,1,2,3）這些點稱為駐波的波幅，波幅處的振幅為2A,相鄰波幅間距離為入./2。振幅最小發(fā)生在
8、cosKsj
9、=0處，其屮），=（2〃+1）入/4,這些點稱為波節(jié)，如圖2屮a、b、c、d為節(jié)點，相鄰波節(jié)間的距離也為入/2?？梢?，駐波的波腹與波節(jié)的位置是固定的，不隨時間變化。對J：駐波的任意一點a,在某一時刻t=0時，它兩邊的質(zhì)點都涌向節(jié)點，使節(jié)點附近成為質(zhì)點密集區(qū);半周期后，節(jié)點兩邊的質(zhì)點乂向左右散開，使波節(jié)附近成為稀疏區(qū)。在同-時刻，相鄰波節(jié)附近質(zhì)點密集和稀疏
10、情況正好相反。與此同時，隨著液體密度的周期變化，其折射率也呈周期變化，密度相等處其折射率也相等，這時折射率的空間分布為N（y,/）=No+2ANsinK$ycos?/從式屮可以看岀，液體屮各點的折射率是按正弦規(guī)律分布的，當(dāng)光從垂1工于超聲波的傳播方向透過超聲場示，會產(chǎn)生衍射，這一現(xiàn)象如同光柵衍射，所以超聲波作用的這一部分介質(zhì)可看成是一等效光柵，稱為超聲光柵。光柵常數(shù)為兩個相鄰等密度處的距離，即超聲波的按照超聲頻率的高低和受聲光作川超聲場長度的不同，聲光作用町分為兩種類世：喇曼?奈斯衍射和布喇格衍射。本實驗采用喇曼■奈斯衍射，如圖3所示。平
11、行光垂直入射光柵時，將產(chǎn)生多級衍射光，各級衍射極大（即衍射光強度為最大的位置）對稱地分布在零級極大位迸的兩側(cè)。設(shè)笫k級衍射極人對應(yīng)的衍射角為（）k,則有入sin0k=kA,（k=0,±l,±2,±3...）式中入為光波波長。超聲波在介質(zhì)中傳播的速度為超聲光柵實驗的原理如圖4所示。在超聲光柵盒屮的壓電晶體兩端加高頻電壓，壓電晶體在交變電場作用下發(fā)生周期性的壓縮伸長，即產(chǎn)生機械振動。當(dāng)外加交變電場頻率達到壓電晶體的固仃頻率時，晶體會發(fā)牛?共振現(xiàn)象，這時機械振動的振幅達到最人值。超聲波從晶體表面發(fā)射經(jīng)過待測介質(zhì)（如水）后在超聲盒的反射器反射，適
12、當(dāng)調(diào)節(jié)壓電品體與反射器Z按照超聲頻率的高低和受聲光作川超聲場長度的不同，聲光作用町分為兩種類世：喇曼?奈斯衍射和布喇格衍射。本實驗采用喇曼■奈斯衍射，如圖3所示。平行光垂直入射光柵時，將產(chǎn)生多級衍射光，各級衍射極大（即衍射光強度為最大的位置）對稱地分布在零級極大位迸的兩側(cè)。設(shè)笫k級衍射極人對應(yīng)的衍射角為（）k,則有入sin0k=kA,（k=0,±l,±2,±3...）式中入為光波波長。超聲波在介質(zhì)中傳播的速度為超聲光柵實驗的原理如圖4所示。在超聲光柵盒屮的壓電晶體兩端加高頻電壓，壓電晶體在交變電場作用下發(fā)生周期性的壓縮伸長，即產(chǎn)生機械振動
13、。當(dāng)外加交變電場頻率達到壓電晶體的固仃頻率時，晶體會發(fā)牛?共振現(xiàn)象，這時機械振動的振幅達到最人值。超聲波從晶體表面發(fā)射經(jīng)過待測介質(zhì)（如水）后在超聲盒的反射器反射，適當(dāng)調(diào)節(jié)壓電品體與反射器Z間的
