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超声光栅和声速的测量

作者:admin发布时间:2020-07-15 04:15

  超声光栅和声速的丈量_教学部署_教学推敲_教化专区。声光效应与超声光栅尝试 (FB720 型声光效应与激光超声光栅尝试仪) 实 验 讲 义 浙江大学物理尝试教学中央 杭州精科仪器有限公司 声光效应与超声光栅尝试 概论 超声波正在液体介质中传扬时,将

  声光效应与超声光栅尝试 (FB720 型声光效应与激光超声光栅尝试仪) 实 验 讲 义 浙江大学物理尝试教学中央 杭州精科仪器有限公司 声光效应与超声光栅尝试 概论 超声波正在液体介质中传扬时,将惹起液体介质的弹性应变,从而惹起介质折射率的 转化。声压的周期性转化决断了折射率的转化具有年光和空间上的周期性。当光束通过有 超声波的介质后,尤如通过一个相位光栅,倘若该光栅间隔妥贴的小,就会与平常光栅一 样旁观到衍射局面,正如1922年布里渊( Brillouin. L )曾预言液体中的高频声波能使可 睹光爆发衍射效应相同,正在10 年后被尝试证明。1935年拉曼( Raman.C.V)和奈斯 ( Nath )挖掘,正在必然条目下,声光效应的衍射光强散布犹如于寻常光栅的衍射。这种 声光效应称做拉曼—奈斯声光衍射。这便是声光效应的规范实例,本尝试行使该物理局面, 举行正在介质液体中的声速丈量。 【尝试道理】 1.声光效应与声场位相光栅的酿成: 声波是一种呆滞应力波,若把这种应力波效率于声光介质(如水,玻璃等透后介质) 中,就会惹起压缩与扩充效应,使介质内部爆发硬密方针转化。因为介质折射率与介质密 度成正比,于是介质密度周期性的转化,必将导致介质中折射率发作周期性的转化。如声 波正在传扬的经过中,遭遇反射爆发信号叠加爆发驻波,就会加倍加剧上述局面。图 1 为水 介质正在超声效率下的集聚起来的水波涟,显示正在超 声波的效率下惹起介质内的应变。 设倘若介质正在 Y 目标的高度 h 正好是超声波半 波长的整数倍,正在受究竟部反射后就正在介质中酿成 驻波场,有 U(Y, t) ? 2U0 cos k s y ? cos ?St ,外面 证实它使得介质正在 Y 目标的应变是: S ? 2S0 sin ks y ? cos ?st (1) 可睹驻波的效率可能成倍的惹起振幅应变的转化, 于是要使尝试局面鲜明,本尝试卖力安顿正在驻波声 场中举行。 介质的应变 S 惹起的折射率发作相应的转化, 它们的干系可能暗示为: ?( 1 n2 ) ? ?S (2) 个中 n 是介质的折射率, ? 是应变惹起的 1 的光 n2 弹系数,因为正在诸如水云云的各向同性的介质中, 图1 ? 与 S 都是标量,关于驻波声场: 1 ?n ? ? n3 2 ?S ? ?n 3?S0 sin ks y ? cos ?s t ? ?2Asin ks y ? cos ?s t (3) 公式中 A ? 1 2 n 3?S0 为超声波惹起介质的折射率转化的幅值,云云正在声波传扬的 Y 目标 上,折射率是以: n(y) ? n0 ? ?n ? n0 ? 2Asin ks y ? cos ?st (4) 的秩序发作转化, 使介质内部疏密方针也发作相应的转化。 由驻波振动道理可知驻波波节两侧的波段振动目标永世相反,设一波节点,某功夫波 节两侧质点涌向该点酿成繁茂区,而正在半个周期后质点又独揽散开酿成希罕区,因而正在振 动经过中相邻节点光密与光疏瓜代陈设,每隔半个周期瓜代转化,而同偶尔刻相邻波节附 近的繁茂与疏稀正好相反,睹图 2 A。显睹液体密度的空间转化间距正好为超声波之波长, 用 ? 暗示 当辉煌笔直于超声波传扬目标透过超声场后,因为入射光的波速是声波的105 倍,这 些转化被忽咯,因而介质正在空间的散布可能以为是静止的,图 2B 便是水介质中的个人放 大图形,暗示某倏得水介质密度的陈设情形。因而正在光通过介质层时只要光速发作转化, 从而惹起相位转化, 而光的振幅稳定,使平面的光波波阵面酿成褶皱波阵面,云云当光束 通过有超声驻波场的介质时,就会爆发光栅效应,介质密的地方酿成阻光层,光疏处酿成 透光层,声场光栅就此酿成睹图 3 。 2 2.超声致光衍射(超声光栅) 正在超声波的频率较高时 (即 ? 较小)与光栅的效率相 同。当光通过超声区域时爆发 了与平常光栅相同的衍射现 象,经推敲注脚,超声波的频 率很高时( f ? 100MHz ), 而超声水槽的厚度 L 较长,满 足 2??L ?? ?2 条目,属于 布拉格衍射,超声水槽犹如一 个别光栅;当 L 不是很长,超 声波的频率也不是很高, (10MHz 独揽)餍足 2??L ?? ?2 ,属于拉曼-乃斯衍射,是位相光栅。常称为超声光 栅。关于拉曼--乃斯衍射其衍射秩序与平行光通过平面透射光栅爆发的衍射似乎, 吻合 以下所示的光栅方程 : ?sin ? ? K? K ? 0, ?1, ? 2 ....... (5) (个中 ? 为超声波之波长, ? 是衍射角, K 为衍射波级数, ? 是光波波长) 【尝试宗旨】 1.加深光栅衍射秩序的清楚。 2.领会声—光互相效率局面——声光效应。 3.行使声光效应演示超声光栅局面,并丈量声波正在液体中的传扬速率。 【尝试安装】 FB720型声光效应与激光超声光栅尝试仪 1 套。 3 1.半导体激光器供给一共仪器的光源。 2. 透镜起到扩束效率,焦距为 2cm 。 3.水槽:时时首倡操纵水做介质,额外以洁净的矿泉水为首选,由于一朝水质较差,含 有杂质,会影响光的透后度。 4.超声头:为了演示大白的图象,超声头必需功率壮大,职能坚固,因而整台仪器最闭 键的部件是超声头,遵照打算哀求,超声头有两只,它们的谐振频率差别为 800kHz 与 10MHz 独揽,各自担负声场与超声场的事业。每只超声头都配有三维调治支架,可能方 便地将超声头的平面调治到与水槽底面齐全平行,以求取得最好的事业成果。 5.白屏:标有毫米刻度,并装有独揽二维的调治螺丝,可利便地丈量成象条纹的宽度。 【尝试实质】 1.声场光栅的演示及声速丈量: 声场光栅便是超声波波阵面轮廓成象,因为光波波 阵面酿成褶皱波阵面,通光的才气随褶皱波阵面爆发周期 性的转化,其图形是明暗相间等间距的散布条纹,是超声 波对光调制的结果,其图象如图 5,尝试安装如图 6,为 了利便尝试的操作,超声波的频率妥贴采取正在 800kHz 。 由尝试道理剖释可能领会该条纹的间距,便是超声波之波 长。还可从驻波酿成的公式来剖释,当 D ? n ? ? 时入 2 射波与反射波酿成驻波,倘若 D 为确定值时,可能调治信 号源正在声光介质中酿成差别频率的驻波振动,? 的巨细与 n 值相闭。于是尝试中可能转折信号发作器输出频率,就 能旁观到众次酿成条纹成象,当然条纹的间距宽度会发作转化。 图6 4 行使该局面可能丈量正在介质中的声速。倘若相邻两条纹之间的隔断为 ? ,可能行使相 似三角形的道理取得: ? ? 2? ? S1 S1 ? S2 倘若 f 为超声波的频率,从而可能取得液体中声速为: (6) C ? ? ? f ? 2? ? S1 ? f S1 ? S2 (7) 也可从驻波酿成的道理来举行丈量,固定 D 为确定值的工夫,正在 D ? n ? ? 时入射波 2 与反射波酿成驻波,调治频率可能正在声光介质中酿成差别的驻波振动,f 的巨细与 n 值有 闭。当激光束以笔直声场的目标入射时,正在超声头频率反响带宽 ?f 边界内,调治 f 的大 小,遵照公式 D ? n ? ? 可能找到众个酿成条纹象相对应的 f 值,因而可能通过光栅图象 2 酿成点耒判定 n 值的转化。因 ? ? C 则 f ? n ? C 对该公式取微分,即 f 2D df ? dn ? C 2D (8) 倘若令 dn ? 1则: df ? C 或 C ? 2D ? ?f 2D (9) 这里 ?f 为相邻两次显现光栅图象的频率差,倘若能丈量出 D 的长度,再通过频率计 读出切确测定 ?f 的巨细,进而求作声速。 2.超声光栅演示及声速丈量: 正在上述尝试的本原上,抬高超声波的频率到10MHz 以上,这时采用图 7 的尝试计划: 就可能旁观到衍射图象,属于拉曼--乃斯衍射, 5 遵照公式 ? sin ? ? K? 因为角度 ? 很小,尝试中如能丈量出屏与水槽之间的隔断 S2 ,,以及 0 级到 K 级条纹的间距 T ,由公式得: ? ? K? sin ? (10) T 由于当角度 ? 很小的工夫,可能近似地行使: sin ? ? tg? ? 得出: s2 ? ? K ? ? ? S2 , T (11) 倘若领会声波频率 f ,则声速: C ? ? ? f ? K ? ? ?S2 ? f T (12) 【尝试办法】 1.声场光栅测声速(采取 800kHz 低频超声头)仪器按图 6 修立 (1) 将玻璃容器中盛有水液体,将超声波探头微微浸入液体上外观几毫米深处,而且使 探头平行于玻璃容器底部。行使一焦距 f ? 20mm 的凸透镜将入射平行激光束散射,其 与 玻 璃 容 器 的 中 心 距 离 定 为 170mm 左 右 , 玻 璃 容 器 中 心 与 投 射 屏 之 间 的 距 离 为 500mm。掀开激光发作器,遵照激光束,贯注调治使其三者同轴,正在一条程度线上。控 制室内的辉煌。掀开超声波发作器,贯注旁观水槽,可能看到正在超声头效率下的水波涟, 通过调治振幅及频率,直到屏幕上光栅投影图案最为大白。 (2) 条纹 ? 的丈量可能按图 8 所 示,用公式 ? ? SN?1 来丈量,其 N ?1 中是 N 条纹数,SN?1 是 N 条纹的 间隔长度。尝试中也 可测出光屏 上各条纹的位子 Dn ,用逐差法求 出 ? 的均匀值。 (3) Sf ? S1, S2 可能直接从光具座上读出。用公式 6、7 求作声速。转折透镜到屏的位 置,再次丈量屏上的条纹的间隔长度 ? ,将数据记录于下外: f ? __________(kHz) 6 Sf ? S1(mm ) S1(mm ) S2 (mm) S6 (mm ) ?(mm) ?(mm) C(m / s) 注:外中 Sf ? 20mm , S1 ? (Sf ? S1 ) ? 20mm ; S6 ? SN?1 ,图 8 中 N ? 7 。 (4) 行使公式(7)丈量出液体中的声速,并丈量出水的温度 t ,服从声波正在水中传扬速率 的体味公式加以改正得声速的外面值: C ? 1557 ? 0.0245 ? (74 ? t)2 m / s 求出速率之外面值并与尝试值比照求出相对差错。 2.超声光栅(采取10MHz 的超声头),仪器修立如图 7 (1) 操作与声场光栅尝试类同怠忽。 (2) 丈量 0 级与 K 级衍射条纹的间距 T ,相闭数据填入下外 K T(mm) ? ? K? s2 (mm) C ? ?f (m / s) C(m / s) T ?3 ?2 ?1 ?1 ?2 ?3 (3) 行使公式(12)丈量出液体中的声速,并丈量出水的温度 t ,服从声波正在水中传扬速 度的体味公式加以改正得声速的外面值: C ? 1557 ? 0.0245 ? (74 ? t)2 m / s 求出速率之外面值后并与尝试值比照求出相对差错。接待您的莅临,Word 文档下载后可修削编辑.双击可删除页眉页脚.感谢!你 的看法是我提高的动力,生机您提出您珍贵的看法!让咱们联合进修联合提高!学无尽头.更上一层楼。 7