超声光栅实验报告

1、超声光栅实验报告一、实验目的与实验仪器1 .实验目的（1）了解超声光栅的原理和使用；（2）利用超声光栅声速仪测量超声波在水中的传播速度。2 .实验仪器GSG1型超声光栅声速仪、超声发生器（工作频率913MHz）、换能器、液槽、JJY-1'型分光仪（物镜焦距f=168mm）、测微目镜（测微范围8mm）、放大镜、待测液及光源（钠灯或汞灯）等。二、实验原理介质受到超声波周期性的扰动，其折射率也将发生变化，此时光通过这种介质，就像透过投射光栅一样，这种现象称为超声致光衍射，把这种载有超声波的透明介质称为超声光栅。利用超声光栅可以计算超声波在透明介质中的速度。设超声波在液体中以平面波形式沿x方向

2、，在x方向液体中波的形式如下：y1=Amcos2京-金?式中，y1为偏离平衡位置的位移量；Am为振幅，Ts为超声波周期，入为超声波波长。若在垂直x方向有一反射平面，则超声波被平面反射后沿x反方向传播，有如下方程：y2=AmC0S2琮+知?当正反两方向的平面波叠加形成驻波时，平衡位置的偏移量为y=y1+y2=2AmCos2超声波形成驻波时，压缩作用使节点处折射率增大，稀疏作用使远离节点处折射率变小，这样液体折射率就出现周期性变化，平行光沿着与超声波传播方向呈一定夹角的方向通过时会被衍射。由光栅方程可知：Asink=k入式中，k为衍射级次，株为k级衍射角。超声光栅光路图如下所示：在右侧望远镜中可观

3、察到衍射条纹。从上图中几何关系可知：tank)="丫?当。k很小时，有,?sink)=亏式中，ik为零级衍射到k级衍射之间的距离，f为透镜焦距，则超声波波长为?A=sin?超声波在液体中传播速度为?V=AY=Y-=-?A?式中，v是换能器共振频率，A泌同一波长光相邻衍射级别衍射条纹间距。三、实验步骤(1)分光计的调整：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，调节望远镜使观察到的狭缝清晰；(2)将待测液体注入超声池，液面高度以液体槽侧面的液体高度刻线为准；(3)将超声池放置于分光计的载物台上，使超声池两侧表面基本垂直于望远镜

4、和平行光管的光轴；(4)两支高频连接线的一端插入超声池盖板接线柱，另一端接入超声信号源的高频输出端,然后将液体槽盖板盖在液体槽上；(5)开启超声信号源电源，从阿贝目镜观察衍射条纹，细微调节电振荡频率与错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，仔细调节，可观察到左右各3-4级以上的衍射光谱；(6)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并记录。四、数据处理1.数据记录条纹位置度数(单位：mm)级次光色-3-2-10123茂rm.1.8782.4803.1053.6804.2704.8365.536绿1.4052.16

5、72.9453.6804.4595.2055.962黄1.2822.0702.8803.6804.5355.3266.143换能器共振频率：y=9.579MHz监光：A ?=(4.270-1.878 ) + (4.836-2.480 ) + (5.536-3.105 )4X3=0.598(mm)绿光：A ?(4.459-1.405 ) + (5.205-2.167 )+(5.962-2.945 )4X3=0.759(mm)黄光：、陆(4.535-1.282 ) + (5.326-2.070 ) + (6.143-2.880 )4X3=0.814(mm)2.逐差法求条纹间距3.计算超声波在酒精中

6、速度利用蓝光计算:利用绿光计算:?2?利用黄光计算:A?2?3?435.8 X 1-9 X 168 X 1-3 X 9.579 X 60 0.5981-3546.1 X 1-9 X 168 X 1-3 X 9.579 X 60 0.7591-3578.0 X 1-9 X 168 X 1-3 X 9.579 X 600.8141-31172.8 (m/s)1157.8 (m/s)1142.7 (m/s)则超声波在酒精中声速:V1+V 2+V 31172.8+1157.8+1142.7=1157.8 (m/s)4.声速v不确定度Uv1）频率不确定度：？? =2） A?确定度=0.02MHz级次差光

7、色?1?- ?- ?- ?平均值A ?444蓝0.5980.5890.6080.598绿0.7640.7600.7770.759黄0.8130.8140.8160.814相邻条纹间距（单位：mm）2蓝光：sX(A? =E3?=(?)? ?F52? = 5.8625 10-5 mm2U( A ? = V( 书 2 ? + A； = 22.5 x5.8625 X 10-5 + 0.0042 = 0.0196mm2绿光：Sx(A? =也皿旦=5.4347 M5 mm22+ A仪 =,2.5 x5.4347 X 10-5 + 0.0042 = 0.0189mm2黄光：Sx(A? =3?=(? ?F62

8、=1.1 10 6 mm2U(A?=V(刍2? + A： =，2.5 X 1.1 X 10-6 + 0.004 2 = 0.00478mm3）声速v的不确定度UvUv1=vM?)2?12例+(一?严?=V1V(点尸?N?+6)2?=1172.8XV)2x0.01962+(-1-)2X0.022=38.5(m/s)0.5989.579Uv2=V2E2?凡触+(¥)?=丫2虫贵2?N?P+(2?=1157.8X，弓992义0.01892+(9-5T9)2X0.022=28.9(m/s)UV3=V3V(?n|)2?N?3+(-?3)2?=V3V(?)2?%?3+d)2?=1147.7X，高

9、)2X0.004782+(短)2X0.022=7.2(m/s)1111Uv=.x，？?+?2+?3=-xV38.5+28.92+7.22=16.2(m/s)335.则超声波在酒精中传播速率V=(1157.8±16.2m/s五、分析讨论(提示：分析讨论不少于400字)(1)本次实验数据使用逐差法减小了实验误差。逐差法是针对自变量等量变化，因变量也做等量变化时，所测得有序数据等间隔相减后取其逐差平均值得到的结果。利用逐差法能充分利用了测量数据，具有对数据取平均的效果。(2)实验中，若只调出1级衍射谱线，则不能利用逐差法，所造成的误差也比较大，所以调整找到3级的衍射谱线很重要。主要需要以下

10、方法：调节频率调节旋钮，使电振荡频率与压电换能器固有频率共振，此时衍射光谱级次会显著增多而且明亮。本次实验共振频率大概在11MHz左右。为使平行光束垂直于超声束传播方向，可微调载物台，使观察到的衍射光谱左右对称，级次谱线亮度一致。实验中可以微微动一下玻璃槽上盖，主要是使换能器表面与对应面的玻璃槽壁平行，有时会使效果更好。(3)在超声光栅测声速实验中，当找到谱线后，有时发现两侧光谱的谱线级次不一样，可微调载物台，使观察到的衍射光谱左右对称，级次谱线亮度一致。(4)如果光栅放置时没有使光栅平面与入射光方向垂直，光线以入射角0斜入射到光栅上，则光栅方程为d(sin0+sin4)=k入(k=0,

11、77;1,±2,)，在计算时如果忘记考虑0,会使结果出现偏差。为了消除上述误差，就要调整分光仪使光栅平面与入射光垂直：开亮望远镜上的小灯，转动载物台，从望远镜中观察光栅平面反射回来的绿色十字像，调节载物台的水平调节螺钉(B2或B3),使十字像与分划板上的十字线重合；(5)任意频率的超声波在此实验中都可以形成驻波，而在于压电换能器达到共振是衍射条纹才会明显增多而且明亮，这是因为，如果频率与共振频率相差较大时，虽然已经形成光栅，但是还可能不够明显，对光的衍射较微弱，现象不明显，所以只有在达到共振时才有明显的衍射条纹。六、实验结论在乙醇中传播速率1180m/s相对误差8=11157.8-11801_x100%=1.88%.(