南昌大学物理实验报告
学生姓名： 学号： 专业班级： 班级编号：S008 实验时间：13时00分 第9周 星期一 座位号：4教师编号： 成绩：
实验46 超声光栅测声速
一、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。
二、实验原理
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的变化，促使液体的折射率也相应的作周期性的变化，形成疏密波。此时，如有平行单色光沿垂直于超声波传播方向通过这疏密相同的液体时，就会被衍射，这一作用，类似光栅，所以称为超声光栅。
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。某时刻，纵驻波的任一波节两边的质点都涌向这个节点，使该节点附近成为质点密集区，而相邻的波节处为质点稀疏处；半个周期后，这个节点附近的质点有向两边散开变为稀疏区，相邻波节处变为密集区。在这些驻波中，稀疏作用使液体折射率减小，而压缩作用使液体折射率增大。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46-1所示。
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。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（宽度为ι），槽中的液体就相当于一个衍射光栅。图中行波的波长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。
图46-1 WSG-I超声光栅仪衍射光路图
液体疏密分布和折射率n的变化
图46-2 WSG-I超声光栅仪衍射光路图 流体疏密分布和折射率n的变化
2
当满足声光喇曼－奈斯衍射条件：2πλι/A
φk为零级与k级间夹角）
在调好的分光计上，由单色光源和平行光管中的会聚透镜（L1）与可调狭缝
S组成平行光系
统，如图46-2所示。
让光束垂直通过装有锆钛酸铅陶瓷片（或称PZT 晶片）的液槽，在玻璃槽的另一侧，用自准直望远镜中的物镜（L2）和测微目镜组成测微望远系统。若振荡器使PZT晶片发生超声振动，形成稳定的驻波，从测微目镜即可观察到衍射光谱。从图46-2中可以看出，当φk很小：
其中lk为衍射光谱零级至k级的距离；f为透镜的焦距。所以超声波波长：
超声波在液体中的传播的速度：
式中的v是振荡器和锆钛酸铅陶瓷片的共振频率，Δlk为同一色光衍射条纹间距。
三、实验仪器
WSG-I超声光栅声速仪（有关仪器结构及主要技术性能详见仪器说明书）。
四、实验内容
1、分光计的调整（调整方法可参阅分光计的说明书），用自准直法使望远镜聚焦于无穷远，望远镜的光轴与分光计的转轴中心垂直，平行光管与望远镜同轴并出射平行光，观察望远镜的光轴与载物台的台面平行。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；
3、将待测液体（如蒸馏水、乙醇或其他液体）注入液体槽内，液面高度以液体槽侧面的液体高度刻线为准；
4、将此液体槽（可称其为超声池）放置于分光计的载物台上，放置时，使超声池两侧表面基本垂直于望远镜和平行光管的光轴；
5、两支高频连接线的一端各插入液体槽盖板上的接线柱，另一端接入超声光栅仪电源箱的高频输出端，然后将液体槽盖板盖在液体槽上；
6、开启超声信号源电源，从阿贝目镜观察衍射条纹，细微调节旋钮（2），使电振荡频率与锆钛酸铅陶瓷片固有频率共振，此时，衍射光谱的级次会显著增多且更为明亮；
7、如此前分光计已调整到位，左右转动超声池（可转动分光计载物台或游标盘，细微转动时，可通过调节分光计图中（15）螺钉实现），能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；
8、按上述步骤仔细调节，可观察到左右各3－4级以上的衍射光谱；
9、取下阿贝目镜，换上测微目镜，调焦目镜，使清晰观察到的衍射条纹。利用测微目镜逐级测量其位置读数（例如：从－3、··· 、0、··· 、＋3），再用逐差法求出条纹间距的平均值。
10、声速计算公式为：
cf/lk
式中：λ－光波波长；υ－共振时频率计的读数；f－望远镜物镜焦距（仪器数据）；Δlk－同一种颜色的衍射条纹间距。
五、数据表格
公式： f/lk
式中：f为透镜L2的焦距（JJY分光计）=170mm；11.81MHz
汞灯波长λ（其不确定度忽略不计）分别为：汞蓝光435.8nm，汞绿光546.1nm，汞黄光578.0nm（双黄线平均波长）。本次实验要求样品为95%分析乙醇。
＜样品＞ 95%分析乙醇
将三种不同的波长测量的声速平均得： Vc＝ 1254.42 m/s 手册值： 1168m/s （C2H5OH 20℃） 实验温度：26℃
温度系数修正后的声速： Vt＝ 1232.82 m/s 误差：E
.821168
1168
100%5.55%
六、误差分析
1、仪器误差
2、由于实验者原因，对于读数产生的误差
3、实验使用的乙醇浓度因为长时间存放并非相应浓度，产生的误差 4、实验环境条件（温度、气压等）造成的误差
七、实验注意事项
1、超声池置于载物台上必须稳定，在实验过程中应避免震动，以使超声在液槽内形成稳定的驻波。导线分布电容的变化会对输出电频率有微小影响，因此不能触碰连接超声池和高频信号源的两条导线；
2、锆钛酸铅陶瓷片表面与对应面的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的上盖盖平，而上盖与玻璃槽留有较小的空隙，实验时微微扭动一下上盖，有时也会使衍射效果有所改善；
3、一般共振频率在11.3MHz左右，WSG-I超声光栅仪给出10－12MHz可调范围。在稳定共振时，数字频率计显示的频率值应是稳定的，最多只有末尾有1－2个单位数的变动；
4、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有变动，从而回影响测量精度，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，尤其在高频条件下有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；
5、提取液槽应拿两端面，不要触摸两侧表面通光部位，以免污染，如已有污染，可用酒精乙醚清洗干净，或用镜头纸擦净；
6、实验中液槽中会有一定的热量产生，并导致媒质挥发，槽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锆钛酸铅陶瓷片外露时，应及时补充液体至正常液面线处；
7、实验完毕应将超声池内被测液体倒出，不要将锆钛酸铅陶瓷片长时间浸泡在液槽内； 8、温度不同对测量结果有一定的影响，可对不同温度下的测量结果进行修正，修正系数及不同物质中的声波在20℃纯净介质中的传播速度见下表：
表中A为温度系数，对于其他温度t的速度可近似按公式Vt=V0+A(t-t0)计算。
八、实验总结
1.本次实验处理数据是采用了逐差法。用逐差法可以提高实验数据的利用率，减小了随机误差的影响，另外也可减小中仪器误差分量，因此是一种常用的数据处理方法。 有时为了适当加大逐差结果为个周期，但并不需要逐差出个数据，可以连续测量 n个数据后，空出若干数据不记录，到时，再连续记录 n个数据，对所得两组数据进行逐差可得。
2.本次实验中不能用钠光灯作为光源。这于光源的显色性有关。 一般定义日光显色性为100，而越接近100的则越接近日光，但目前人类还无法制造出达到100的光源 钠灯的显色很差的，这是钠的特性决定的，他就是黄光，显色大概只有20-40左右。而高压汞灯通常为50-60左右，超高压汞灯可以达到70-80甚至更高 而金卤灯（金属卤化物气体放电灯，金属卤化物灯，氙灯）这种灯如果购买的是5000-6500K色温的灯泡，显色性可以达到85-90，可以替代汞灯。 但钠灯显然不可以替代汞灯。
3.由误差计算可以看出，实验数据的准确度较好，与液体中声速理论值较接近，实验数据比较理想。实验过程中，利用超声光栅观察到的衍射现象及实验数据，满足拉曼－奈斯型
衍射。
南昌大学物理实验报告
学生姓名： 学号： 专业班级： 班级编号：S008 实验时间：13时00分 第9周 星期一 座位号：4教师编号： 成绩：
实验46 超声光栅测声速
一、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。
二、实验原理
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的变化，促使液体的折射率也相应的作周期性的变化，形成疏密波。此时，如有平行单色光沿垂直于超声波传播方向通过这疏密相同的液体时，就会被衍射，这一作用，类似光栅，所以称为超声光栅。
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。某时刻，纵驻波的任一波节两边的质点都涌向这个节点，使该节点附近成为质点密集区，而相邻的波节处为质点稀疏处；半个周期后，这个节点附近的质点有向两边散开变为稀疏区，相邻波节处变为密集区。在这些驻波中，稀疏作用使液体折射率减小，而压缩作用使液体折射率增大。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46-1所示。
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。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（宽度为ι），槽中的液体就相当于一个衍射光栅。图中行波的波长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。
图46-1 WSG-I超声光栅仪衍射光路图
液体疏密分布和折射率n的变化
图46-2 WSG-I超声光栅仪衍射光路图 流体疏密分布和折射率n的变化
2
当满足声光喇曼－奈斯衍射条件：2πλι/A
φk为零级与k级间夹角）
在调好的分光计上，由单色光源和平行光管中的会聚透镜（L1）与可调狭缝
S组成平行光系
统，如图46-2所示。
让光束垂直通过装有锆钛酸铅陶瓷片（或称PZT 晶片）的液槽，在玻璃槽的另一侧，用自准直望远镜中的物镜（L2）和测微目镜组成测微望远系统。若振荡器使PZT晶片发生超声振动，形成稳定的驻波，从测微目镜即可观察到衍射光谱。从图46-2中可以看出，当φk很小：
其中lk为衍射光谱零级至k级的距离；f为透镜的焦距。所以超声波波长：
超声波在液体中的传播的速度：
式中的v是振荡器和锆钛酸铅陶瓷片的共振频率，Δlk为同一色光衍射条纹间距。
三、实验仪器
WSG-I超声光栅声速仪（有关仪器结构及主要技术性能详见仪器说明书）。
四、实验内容
1、分光计的调整（调整方法可参阅分光计的说明书），用自准直法使望远镜聚焦于无穷远，望远镜的光轴与分光计的转轴中心垂直，平行光管与望远镜同轴并出射平行光，观察望远镜的光轴与载物台的台面平行。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；
3、将待测液体（如蒸馏水、乙醇或其他液体）注入液体槽内，液面高度以液体槽侧面的液体高度刻线为准；
4、将此液体槽（可称其为超声池）放置于分光计的载物台上，放置时，使超声池两侧表面基本垂直于望远镜和平行光管的光轴；
5、两支高频连接线的一端各插入液体槽盖板上的接线柱，另一端接入超声光栅仪电源箱的高频输出端，然后将液体槽盖板盖在液体槽上；
6、开启超声信号源电源，从阿贝目镜观察衍射条纹，细微调节旋钮（2），使电振荡频率与锆钛酸铅陶瓷片固有频率共振，此时，衍射光谱的级次会显著增多且更为明亮；
7、如此前分光计已调整到位，左右转动超声池（可转动分光计载物台或游标盘，细微转动时，可通过调节分光计图中（15）螺钉实现），能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；
8、按上述步骤仔细调节，可观察到左右各3－4级以上的衍射光谱；
9、取下阿贝目镜，换上测微目镜，调焦目镜，使清晰观察到的衍射条纹。利用测微目镜逐级测量其位置读数（例如：从－3、··· 、0、··· 、＋3），再用逐差法求出条纹间距的平均值。
10、声速计算公式为：
cf/lk
式中：λ－光波波长；υ－共振时频率计的读数；f－望远镜物镜焦距（仪器数据）；Δlk－同一种颜色的衍射条纹间距。
五、数据表格
公式： f/lk
式中：f为透镜L2的焦距（JJY分光计）=170mm；11.81MHz
汞灯波长λ（其不确定度忽略不计）分别为：汞蓝光435.8nm，汞绿光546.1nm，汞黄光578.0nm（双黄线平均波长）。本次实验要求样品为95%分析乙醇。
＜样品＞ 95%分析乙醇
将三种不同的波长测量的声速平均得： Vc＝ 1254.42 m/s 手册值： 1168m/s （C2H5OH 20℃） 实验温度：26℃
温度系数修正后的声速： Vt＝ 1232.82 m/s 误差：E
.821168
1168
100%5.55%
六、误差分析
1、仪器误差
2、由于实验者原因，对于读数产生的误差
3、实验使用的乙醇浓度因为长时间存放并非相应浓度，产生的误差 4、实验环境条件（温度、气压等）造成的误差
七、实验注意事项
1、超声池置于载物台上必须稳定，在实验过程中应避免震动，以使超声在液槽内形成稳定的驻波。导线分布电容的变化会对输出电频率有微小影响，因此不能触碰连接超声池和高频信号源的两条导线；
2、锆钛酸铅陶瓷片表面与对应面的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的上盖盖平，而上盖与玻璃槽留有较小的空隙，实验时微微扭动一下上盖，有时也会使衍射效果有所改善；
3、一般共振频率在11.3MHz左右，WSG-I超声光栅仪给出10－12MHz可调范围。在稳定共振时，数字频率计显示的频率值应是稳定的，最多只有末尾有1－2个单位数的变动；
4、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有变动，从而回影响测量精度，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，尤其在高频条件下有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；
5、提取液槽应拿两端面，不要触摸两侧表面通光部位，以免污染，如已有污染，可用酒精乙醚清洗干净，或用镜头纸擦净；
6、实验中液槽中会有一定的热量产生，并导致媒质挥发，槽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锆钛酸铅陶瓷片外露时，应及时补充液体至正常液面线处；
7、实验完毕应将超声池内被测液体倒出，不要将锆钛酸铅陶瓷片长时间浸泡在液槽内； 8、温度不同对测量结果有一定的影响，可对不同温度下的测量结果进行修正，修正系数及不同物质中的声波在20℃纯净介质中的传播速度见下表：
表中A为温度系数，对于其他温度t的速度可近似按公式Vt=V0+A(t-t0)计算。
八、实验总结
1.本次实验处理数据是采用了逐差法。用逐差法可以提高实验数据的利用率，减小了随机误差的影响，另外也可减小中仪器误差分量，因此是一种常用的数据处理方法。 有时为了适当加大逐差结果为个周期，但并不需要逐差出个数据，可以连续测量 n个数据后，空出若干数据不记录，到时，再连续记录 n个数据，对所得两组数据进行逐差可得。
2.本次实验中不能用钠光灯作为光源。这于光源的显色性有关。 一般定义日光显色性为100，而越接近100的则越接近日光，但目前人类还无法制造出达到100的光源 钠灯的显色很差的，这是钠的特性决定的，他就是黄光，显色大概只有20-40左右。而高压汞灯通常为50-60左右，超高压汞灯可以达到70-80甚至更高 而金卤灯（金属卤化物气体放电灯，金属卤化物灯，氙灯）这种灯如果购买的是5000-6500K色温的灯泡，显色性可以达到85-90，可以替代汞灯。 但钠灯显然不可以替代汞灯。
3.由误差计算可以看出，实验数据的准确度较好，与液体中声速理论值较接近，实验数据比较理想。实验过程中，利用超声光栅观察到的衍射现象及实验数据，满足拉曼－奈斯型
衍射。