用声场光栅投影测液体中声速

摘要：本文利用声场光栅的投影测出了超声波在水中的传播速度，实验测量结果与理论值的误差仅为0.03%，这表明此测量方法的精确度是比较高的，为声速的测量提供了一个新的途径。
关键词：声场光栅；声速；波长
1674-9324（2012）09-0101-02
在超声波在传播的过程中，其声压使介质的分子密度呈现周期性疏密相间的分布，形成疏密波，由于光的折射率与密度有关，因此折射率也周期性的变化，如果被反射面阻挡产生反射波沿入射波的反向传播时，在适当的距离上就能获得纵向振动的驻波，由于驻波的振幅可以达到单一行波的两倍，因而加剧了介质层疏密变化的程度。形成超声驻波声场，通常把频率较低的超声驻波声场称为声场光栅，频率较高的超声驻波声场称为超声光栅。用超声光栅测量声速的研究也不少[1-5]，但用声场光栅的投影测液体中的声速的方法还未见到。本文将根据声场光栅的投影图样测出超声波在水中的传播速度。

一、实验原理

本实验所用装置是FB720型声光效应实验仪，仪器包括超声发射仪、声场光栅超声探头、超声光栅超声探头、固体激光器、专用水槽、光具座、扩束透镜和光屏。加扩束透镜是为了让平行光会聚焦变为点光源。实验原理如图1所示，在超声驻波存在的液槽中，液体的折射率在波节处变化很大，而在波腹处几乎不变。液体密度的空间变化周期正好为λ（超声波的波长）。当光线垂直于超声波传播方向透过超声声场后，由于入射光速是声速的105倍，这些变化被忽略，认为是静止的，因此当光束通过有超声驻波场的介质（声场光栅）时，就可以得到如图2所示的声场光栅投影的清晰图像，即实线和虚线共同组成的等间距的水平条纹，其中相邻条纹的间距对应着液槽中的λ/2，在屏幕上产生光栅投影。
图1 实验原理示意图?摇?摇?摇
?摇图2 声场光栅投影示意图
设相邻两条纹之间的距离为α，可利用相似三角形的原理得到：?摇λ=2■?摇?摇（1）。设超声波的频率为?摇f?摇，N个条纹的总间距为S，则液体中声速为：C=■?摇（2）。

二、实验内容

1.实验步骤。①选择800KHz左右低频超声头；在玻璃容器中放入纯净水，将超声波探头微微浸入水的上表面几毫米深处，并且使探头平行于玻璃容器底部。利用焦距为20毫米的凸透镜，把半导体激光器发射的平行激光束扩束，成为散射光，凸透镜与玻璃容器的中心距离定为170mm左右，玻璃容器中心与投射光屏之间的距离为500mm左右。打开激光发生器，根据激光束，仔细调节使其三者同轴等高，在一条水平线上。把室内的光线调节到昏暗程度。打开超声波发生器，仔细观察水槽，可以看到在超声头作用下的水波涟漪，仔细调节振幅及频率，直到屏幕上光栅投影图案最为清晰。②衍射条纹间距α的测量可以按图2所示，用公式a=S/（N-1）来求得，其中N为条纹数，S是N条条纹的间隔总长度，用读数显微镜测量。实验中测出光屏上各衍射条纹的位置Dn，求出条纹间距α。S1，S2，可以直接从光具座上读出，利用公式（2）求出声速。
2.实验结果及分析。用测微显微镜测量条纹间距，实验所用透镜的焦距为Sf=20.0mm。实验的测量数据详见表1。
表1 声场光栅测液体中的声速数据
实验过程中水的温度在14.29～14.31℃之间波动，取温度t=14.30℃。超声波在水中速度的理论值为：C=1557-0.0245（74-t）2m.s-1（3），将t=14.30℃代入（3）式得：C=1469.6m.s-1。结果表明：实验结果与理论值非常接近，它们之间的相对误差仅为0.03%，此测量方法的精确度是比较高的，这也为声速的测量提供了一个新的途径。

三、实验注意事项

实验中应当注意下列几点：①超声头表面与对应面的玻璃槽内表面必须平行，以便形成较好的表面驻波。②在实验过程中应避免震动，提取液槽应拿两端面，不要触摸两侧表面通光部位，以免影响实验的正常进行。③要注意防止超声探头下气泡的出现，如果有气泡可将探头先取下倾斜插入水中，在水中将探头调平并将其安装好，然后进行实验。
参考文献：
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摘自：本科毕业论文致谢www.udooo.com

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