篇一：超声光栅声速测定
普通物理实验C
课程论文
题 目：超声光栅声速测定
专业年级：物理学08级4班
姓 名：赵珊
学 号：222008315011187
指导教师：孙 卫 伟
论文成绩：
答辩教师签字：
目录
摘要................................................................1
关键词............................................................1
正文
1 超声光栅声速测定法的提出背景............2
2实验原理………………………………… 3
2.1超声光栅形成原理
2.2超声光栅测定声速的理论依据
2.3驻波像的形成
2.4测量波长的方法和特点
3 实验研究
3.1CGS超声光栅声速测定仪器介绍…
3.2实验操作
3.2.1利用干涉法、相位法测定液体声速
3.2.2利用二次干涉法测定液体声速
3.2.3利用超声波驻波像测定声波波长
3.3实验注意事项
3.4实验数据记录与处理
3.5讨论与分析
4 结束语
参考文献
附录
1 引言
1922年，布里渊曾预言，当高频声波在液体中传播时，如果可见光通过该液体，首次提出对可见光产生衍射效应。这一预言在十年后得到验证,这一现象被称作声光效应。若声光作用距离L 较小,光波通过时,介质折射率的空间周期性变化性质可近似认为是时间不变的,其位相受到的调制,如同经过一个正弦位相光栅,正弦位相光栅与普通平面矩形光栅的衍射主极大满足类似的光栅方程 。1935 年, 拉曼( Raman) 和奈斯(Nat h) 对声光效应进行研究发现,在一定条件下,声光效应的衍射光强分布类似于普通的光栅,所以也称为液体中的超声光栅,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, 因此,越来越引起人们的关注,尤其是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应用 。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。M. S. Greenwood 等人利用超声光栅衍射谱( UD GS) 来表征泥浆,从而测量它的颗粒尺寸;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。
2 实验原理
2.1超声光栅形成原理（驻波、声光结合原理）
2.1.1 驻波的形成
当一束波长为 ，周期为 的平面正弦超声波在液体里传播时，波前进路径上的液体波周期性地压缩与膨胀，其密度会发生周期性的变化，形成疏密波。液体对光的折射率与液体的密度有关。疏密作用会使液体密度减小、折射率减小。压缩作用会使液体密度增大、折射率增大。如果在超声波前进的方向上放置一个表面光滑且与超声波波阵面平行的金属反射板，那么到达反射板表面的超声波将反射而沿反方向传播。在一定条件下，前进波与反射波叠加而形成驻波。
2.1.2超声光栅的形成
在光学上，任何装置只要它能给入射光的相位、振幅或者俩者同时加上一个周期性的空间调制，都可以称为光栅。某时刻，驻波的任一波节俩边的质点都涌向这个节点。使该节点成为质点密集区，而相邻的波节处为质点稀疏区。半个周期后，这个节点附近的质点又向俩边散开变为稀疏区，相邻波节处变为密集区。随着液体密度的周期性变化，折射率也呈周期性变化。于是当一束光沿垂直于超声波传播的方向通过液体时，光就像通过一个透射光栅那样，产生衍射现象，这种由超声驻波在液体中传播形成的液体光栅称为超声光栅，其光栅常数等于超声波波长入。
注意：光在液体中的传播速度约为3.E+08 m/s，因此，可以认为光在通过液体的一段时间内其光栅结构不随时间改变，因此，超声光栅与一维光栅有着相似的作用，其光栅常数越小（超声波的频率很高），衍射作用就越明显。当超声波频率比较低（如2Mhz左右，其光栅常数约1条线/mm）此时，光的衍射效果可以忽略，直线传播性质明显，
只能显示光栅的自身影像，即超声驻波像。
2.2 超声光栅声速测定的理论依据
利用超声光栅测量液体声速的方法是：在频率已知的情况下，测量波长 然后利用关系式C=f
波频率，
计算声速值。式中c为声速，f为声为声波波长。测定声波波长可以用俩种方法。一是，利用较高频率的超声驻波形成衍射效果明显的光栅，来测定光栅常数即声波波长。二是，利用较低频率的超声波建立驻波，然后利用驻波自身像测定声波长。CGS超声光栅声速测定仪就是利用频率为1710KHZ的超声驻波自身像来测定声波波长仪器，这种方法通常为振幅栅法。 CGS型超声光栅声速测定仪工作原理：
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。
2.3驻波像的形成
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
篇二：超声光栅测声速
参考答案
答案1：
答案2：
答案3：
答案4：
正确答案为
你做的答案为：1 超声光栅与平面透射光栅
答案1：原理和作用均相同
答案2：原理不同，作用相同；
答案3：原理与作用均不同；
答案4：原理相同，作用不同。
正确答案为
你做的答案为：1 在本实验中，测量衍射光谱至±2级，用逐差法计算各色光衍射条纹平均间距，正确答案是：
答案1：
答案2：
答案3：
答案4：
正确答案为
你做的答案为：
3 答案1：答案2：
答案3：
答案4：
正确答案为
你做的答案为：1 在本实验中，正确说法是：
答案1：质点稀疏区液体折射率增大，质点密集区液体折射率减小
答案2：质点稀疏区液体折射率减小，质点密集区液体折射率增大
答案3：质点稀疏区和密集区液体折射率不变；
答案4：质点稀疏区和密集区液体折射率变化，但具体规律不详。
正确答案为
你做的答案为：1
参考答案
在本实验中，光源
答案1：必须是单色光源
答案2：必须是复色光源
答案3：可为任意光源
答案4：
无此选项
正确答案为
你做的答案为：2
答案1：
答案2：
答案3：
答案4：
正确答案为
你做的答案为：3 超声光栅光栅常数d与超声波波长A必须满足:
答案1：
答案2：
答案3：
答案4：
正确答案为
你做的答案为：2 在本实验中，正确说法是：
答案1：质点稀疏区液体折射率增大，质点密集区液体折射率减小
答案2：质点稀疏区液体折射率减小，质点密集区液体折射率增大
答案3：质点稀疏区和密集区液体折射率不变；
答案4：质点稀疏区和密集区液体折射率变化，但具体规律不详。
正确答案为
你做的答案为：1 在本实验中，测量衍射光谱至±2级，用逐差法计算各色光衍射条纹平均间距，正确答案是：
答案1：
答案2：
答案3：
答案4：
正确答案为
参考答案
你做的答案为：2
答案1：
答案2：
答案3：
答案4：
正确答案为
你做的答案为：
3
答案1：
答案2：
答案3：
答案4：
正确答案为
你做的答案为：
2
答案1：成反比
答案2：成正比
答案3：无关
答案4：不确定
正确答案为
你做的答案为：3 在本实验中，测量衍射光谱至±2级，用逐差法计算各色光衍射条纹平均间距，正确答案是：
答案1：
答案2：
答案3：
答案4：
正确答案为
你做的答案为：2 在本实验中，分光计主轴、平行光束与超声波束方向
答案1：相互平行
答案2：相互垂直
答案3：任意
答案4：无此选项
正确答案为
你做的答案为：2
参考答案
答案1：成正比
答案2：
成反比
答案3：无关
答案4：不确定
正确答案为
你做的答案为：3 在本实验中，分光计主轴、平行光束与超声波束方向 答案1：相互平行
答案2：相互垂直
答案3：任意
答案4：无此选项
正确答案为
你做的答案为：1 在本实验中，正确说法是： 答案1：质点稀疏区液体折射率增大，质点密集区液体折射率减小 答案2：质点稀疏区液体折射率减小，质点密集区液体折射率增大 答案3：质点稀疏区和密集区液体折射率不变； 答案4：质点稀疏区和密集区液体折射率变化，但具体规律不详。 正确答案为
你做的答案为：2 答案1：答案2：答案3：答案4：
正确答案为
你做的答案为：2 超声光栅光栅常数d与超声波波长A必须满足: 答案1：
答案2：
篇三：超声光栅测液体中的声速
超声光栅测液体中的声速
【引言】
1922年布里渊曾预言，当高频超声波在液体在传播时，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年后被验证。1935年，拉曼和奈斯对这一效应进行研究发现，在一定条件下，其衍射光强分布类似于普通的光栅。当超声波在介质中传播时，使介质产生弹性应力或应变，导致介质密度的空间分布出现疏密相间的周期性变化，从而导致介质的折射率相应变化，光束通过这种介质，就好像通过光栅一样，会产生衍射现象，这一现象被称作声光效应（又叫做超声致光衍射）。人们把这种载有超声的透明介质称为超声光栅。利用超声光栅可以测定超声波在介质中的传播速度。
【摘要】
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。平行单色光沿垂直于超声波方向通过疏密相间的液体是会被衍射，就形成超声光栅。超声波传播时，如前进波被一个平面反射，会反向传播。在一定条件下前进波与反射波叠加而形成超声频率的纵向振动驻波。由于驻波的振幅可以达到单一行波的两倍，加剧了波源和反射面之间液体的疏密变化程度。单色平行光λ沿着垂直于超声波传播方向通过上述液体时，因折射率的周期变化使光波的波阵面产生了相应的位相差，经透镜聚焦出现衍射条纹。被超声光栅衍射后，自液体槽窗口出射的光，经望远镜物镜会聚在物镜的后焦面上。用测微目镜观测由超声光栅产生的衍射条纹。这样通过计算就能利用超声光栅衍射测量出液体中的声速了。
【实验目的】
1. 了解超声光栅产生的原理。
2. 了解声波如何对光信号进行调制
3. 通过对液体（非电解质溶液）中的声速的测定，加深对其中声学和光学物理概念的理解。
【实验原理】
1. 超声光栅
光波在介质中传播时被超声衍射的现象，称为超声致光衍射（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。
超声波传播时，如前进波被一个平面反射，会反向传播。在一定条件下前进波与反射波可以形成驻波。由于驻波小振幅可以达到单一行波的两倍，加剧了波源和和反射面之间的的疏密程度，某时刻，驻波的任一波节两边的质点都涌向这一点，使该节点附近形成密集区，
而相邻波节处为质点稀疏处；半个周期后，这个节点附近的质点向两边散开形成稀疏区，而相邻波节处变为密集区。 在这些驻波中，稀疏区使液体的折射率减小，而压缩作用使液体折射率增加，在距离等于波长Ａ的两点，液体的密度相同，折射率也相等，如图（１）所示。
图（１）
２．超声光栅册液体中的声速
如图２(ａ)所示，在透明介质中，有一束超声波沿
超声波传播方向(方向传播，另一束平行光垂直于方向)入射到介质中，当光波从声束区中出射时，就会产生衍射现象。
图２
实际上由于声波是弹性纵波，它的存在会使介质(如纯水)密度
周期性变化如图２(a)，即 在时间和空间上发生
??z,t???。＋??sin(?St?2?AZ) （１－１）
是t时刻z处的介质密度，为没有超声式中：z是沿声波传播方向的空间坐标，
波存在时的介质密度，叫是超声波的角频率，Ａ是超声波波长，是密度变化的幅度。因此介质的折射率随之发生相应变化，即
2?
An?z,t??n。＋?nsin(?St?Z) （１－２） 式中：(为平均折射率，为折射率变化的幅度。考虑到光在液体中的传播速度)，可以认为在液体中，由超声波所形成的疏)远大于声波的传播速度(
密周期性分布，在光波通过液体的这段时间内是不随时间改变的，因此，液体的折射率仅随位置z而改变如图２（ｂ），即
2?
An(z)?n。??nsin()z
（１－３）
由于液体的折射率在空间有这样的周期分布，当光束沿垂直于声波方向通过液体后，光波波阵面上不同部位经历了不同的光程，波阵面上各点的位相由下式给出：
???。?????n?L
c???nL
csin(2?
A)z （１－４）
式中：L是声速宽度；是光波角频率；c是光速。通过液体压缩区的光波波阵面将落后于通过稀疏区的波阵面。原来的平面波阵面变得折皱了，其折皱情况由n(z)决定，见图３可见载有超声波的液体可以看成一个位相光栅，光栅常数等于超声波波长。
图３
３．声光衍射的分类
（1）当L??A/2???(2为真空中光波波长)时，就会产生对称于零级的多级衍射，即拉曼—奈斯(Raman-NRth)衍射，和平面光栅的衍射几乎无区别，满足下式的衍射光均在衍射角k??sinA（ｋ＝?1,?2,?3……）（１－５） 于的方向上产生极大光强：
??A2
（2）当L2???时，产生布拉格(Bragg)衍射，声光介质相当于一个体光栅，其衍射光强只集中在满足布拉格公式(sin?B?k??/2A k??1,?2,?3……)的一级衍射方向，且级不同时存在。
４．实验装置
由于布拉格衍射需要高频(几十兆赫兹)超声源，实验条件较为复杂，故本实验采用拉曼-奈斯衍射装置。实验装置连接如图４所示。超声池是一个长方形玻璃液槽，液槽的两通光侧面(窗口)为平行平面。液槽内盛有待测液体(如水)。换能器为压电陶瓷芯片，芯片两面引线与液槽上盖的接线柱相连。当压电陶瓷芯片由超声光栅仪输出的高频振荡信号驱动时，就会在液体中产生超声波。
1.钠光灯2.平行光管3.超声池4.望远镜(去掉目镜筒)5.测微目镜
6.压电陶瓷芯片7.导线8.频率显示窗9.超声光栅仪10.调频旋钮
图４
单色平行光?沿着垂直于超声波传播方向上通过上述液体时，因折射率的周期变化使光波的波阵面产生了相应的位相差，经透镜聚焦出现衍射条纹。这种现象与平行光通过透射光栅的情形相似。因为超声波的波长很短，只要盛装液体的液体槽的宽度能够维持平面波，槽中的液体就相当于一个衍射光栅。途中行波的波长Ａ相当于光栅常数。即
Asin?k?k?
图５超声光栅衍射光路
在调好的分光计上，由单色光源和和平行广管中的汇聚透镜Ｌ１与可调狭缝ｓ组成平行光系统如图５所示。让垂直通过液槽（ＰＺＴ），在玻璃槽的另一侧，用自准望远镜的物镜Ｌ２和测微目镜组成望远镜系统。若振荡器使ＰＺＴ芯片发生超声振动，形成稳定驻波，从测微目镜即可观察到衍射光谱，从图５中可以看出，当?k很小时，有：
Asin?k?lkf
其中，lk为衍射光谱零级至ｋ级的距离；ｆ为焦距。所以超声波波长：
A?k?
sin?k?k?flk
超声波在液体中传播的速度：
V?A???f?
?lk
?lk式中的Ｖ是振荡器和锆钛酸铅陶瓷片的共振频率，
为同一色光衍射条纹间距
【实验仪器】
超声光栅(超声池)、超声光栅仪、分光计、测微日镜、低压汞灯、待测液体（水）等
【实验内容】
１． 分光计的调节
分光计主要由五个部分组成，即底座，望远镜，载物平台，准直管和读数盘。
１）．用自准法调节望远镜聚焦于无穷远
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