超声光栅实验

实验项目：

超声光栅实验（综合设计2-1）

实验目的：

1、 了解超声光栅产生原理。

2、 了解声波如何对光信号进行调制。

3、 测量液体（非电解质溶液）中的声速。

实验仪器：

JJY 分光计, WSG-I 超声光栅声速仪, 汞灯 仪器性能指标：

1． 输出电压 220V 50Hz 2． 输出信号频率：8~12MHz 3． 工作频率 9.5~11.5MHz

4． 测微目镜测量范围：8mm 测量精度 0.01mm

实验原理： 超声波传播时，若前进波被一个平面反射，会反向传播。在一定条件下入射波与反射波叠加形成超声频率的纵向振动驻波。当单色平行光λ沿垂直于超声波传播方向通过疏密相间的液体时，因折射率的周期性变化使光波波阵面产生相应的相位差，经透镜聚焦出现衍射条纹。该现象与平行光通过透射光栅的情形相似。因为超声波波长很短，只要超声池的宽度能够维持平面波，池中液体就相当于一个衍射光栅。行波波长 A 相当于光栅常数。由超声波在液体中产生的光栅作用称作超声光栅。

当满足声光喇曼－奈斯衍射条件<<1 时，该衍射相似于平面光栅衍射，可得如下光栅方程： （式中k为衍射级次，其中为衍射角）当很小时有： 为衍射光谱零级至k级的距离；f为望远镜物镜焦距。所以超声波波长：

超声波在液体中传播的声速： V=Av=率，实验步骤：

为同一色光衍射条纹间距 λ为光波波长，为振荡器和锆钛酸铅陶瓷片的共振频1、分光计调整至待测状态：用自准直法调节望远镜聚焦于无穷远、望远镜光轴与分光计主轴垂直、平行光管与望远镜同轴并出射平行光，观察望远镜光轴与载物台台面平行。目镜调焦使看清分划板刻线，并以平行光管出射的平行光为准，调节望远镜使观察到的狭缝清晰，狭缝应调至最小，实验过程中无需调节；

2、采用低压汞灯作光源，汞灯波长λ（其不确定度忽略不计）分别为：蓝光 435.8nm，绿光 546.1nm，黄光 578.0nm（双黄线平均波长）。

3、将待测液体（如蒸馏水、乙醇或其他液体）注入超声池内，液面高度以超声池正常工作液面线为准。 4、将液体槽座卡在分光计载物台上，液体槽座的缺口对准并卡住载物台侧面的锁紧螺钉，放置平衡，并用锁紧螺钉锁紧。

5、将此液体槽（可称为超声池）平稳地放置于分光计的载物台上，并使超声池两侧表面基本垂直于望远镜和平行光管的光轴；

6、两支高频信号线的一端各插入超声池盖板上的接线柱，另一端插入超声信号源的高频输出端，然后盖上超声池盖；

7、为保证仪器正常使用，仪器实验时间不宜过长，古在超声信号源电源上设置了定时选择开关。开启超声信号源电源前，先选择定时时间。定时时间可选4档，分别为60分钟，90分钟，120分钟和不定时。 拨定选择开关1号键向右边时，定时关闭，即选不定时。

拨定选择开关1号键向左边，2号键向左边时，定时选定为60分。

拨定选择开关1号键向左边，2号键向右边，3号键向左边时，定时选定为90分。 拨定选择开关1号键向左边，2、3号键向右边，4号键向左边时，定时选定为120分。

8、开启超声信号源电源，频率显示窗首先会显示被选定的时间数，数秒后显示当时的震荡频率，被选时间达到前一分钟，超时报警灯开始连续闪烁，然后仪器自动停止工作，进入10分钟倒记时关机保护，此时保护状态指示灯亮；保护状态结束后，仪器将自动开机，并进入正常工作状态。

9、从阿贝目镜观察衍射条纹，仔细调节频率微调，使电振荡频率与PZT 晶片固有频率共振，此时，衍射光谱的级次会显著增多且更为明亮。

10、如此前分光计已调节到位，左右转动超声池（通过调节分光计螺钉，细微转动分光计载物台或游标盘），使射于超声池的平行光束完全垂直于超声束，同时观察视场内的衍射光谱左右级次亮度及对称性，直到从目镜中观察到稳定而清晰的左右各 3－4 级的衍射条纹为止。

11、取下阿贝目镜，换上测微目镜，调焦目镜，使清晰观察到衍射条纹。利用测微目镜逐级测量其位置读数（例如：从－2、··· 、0、··· 、＋2），再用逐差法计算各色光衍射条纹平均间距。

12、声速计算公式为：VC=式中：λ为光波波长，v 为共振频率计的读数，F为望远镜物镜焦距。

数据记录：

-4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 为同一色光衍射条纹间距。

黄 1.271 1.960 2.752 3.481 4.145 4.864 5.612 6.384 2.14绿 1.475 2.810 3.546 4.145 4.834 5.501 6.222 0 数据处理：

超声光栅仪的核心元件是压电陶瓷片，它是一个重要的传感器，它能把电信号转换为振动信号。为便于理解， 超声光栅仪的核心元件是压电陶瓷片，它是一个重要的传感器，它能把电信号转换为振动信号。为便于理解，可把它内部的每一个分子简化为一个正负中心不重合的电偶极子。一旦给它强加一个外电

场，由于电场力偶的作用，电偶极矩矢量将沿场强方向顺排，如图所示。从微观的角度看，

每个分子都顺排，在宏观上就表现为陶瓷片的外形尺寸发生变化。如果外电场大小、方向都成周期性变化，则陶瓷片的厚度就一会儿伸张，一会儿收缩，即发生振动，振动在弹性媒质中传播就是波，一旦振动频率高于20000Hz，这波就是超声波。压电陶瓷片的这种特性被称之为逆压电效应。

1、锆钛酸铅陶瓷片未放入有媒质的液体槽前。禁止开启信号源

2、超声池置于载物台上必须稳定，在实验过程中应避免震动，以利形成稳定超声纵驻波。导线分布电容

的变化会对输出电频率有微小影响，因此不能触碰高频信号线

3、PZT 晶片表面与对应面玻璃槽壁表面必须平行，此时才会形成较好的表面驻波，因此实验时应将超声池盖盖平，而超声池与池盖留有较小空隙，实验时微微扭动一下池盖，有时也会使衍射效果有所改善。 4、一般共振频率在 11.3MHz 左右，本仪器给出 9.5－12MHz 可调范围。在稳定共振时，数字频率计显示的频率值应稳定，最多只能末位有 1－2 个单位数的变动。

5、实验时间不宜过长，其一，声波在液体中的传播与液体温度有关，时间过长，温度可能在小范围内变动，从而影响测量精度，一般测量可以待测液体温度同于室温，精密测量可在超声池内插入温度计测量；其二，频率计长时间处于工作状态，会对其性能有一定影响，尤其在高频条件下可能会使电路过热而损坏，实验时，特别注意不要使频率长时间调在 12MHz 以上，以免振荡线路过热。

6、提取超声池应拿两端面，不要触摸两侧表面通光部位，以免污染。如已污染，可用酒精乙醚清洗干净，或用镜头纸擦净。

7、实验时超声池中会有一定热量产生，并导致介质挥发，池壁会见挥发气体凝露，一般不影响实验结果，但须注意液面下降太多致 PZT 晶片外露时，应及时补充液体至正常工作液面线处。

8、实验完毕应将超声池内被测液体倒出，或把锆钛酸铅陶瓷片拿离液槽并用洁布擦干，不要将 PZT 晶片长时间浸泡在液体内。

实验讨论：

这次实验，我们复习了分光仪调焦的有关知识，深化了我们的知识。

仪器状态：

正常