WD.5L-1声光效应与超声光栅实验仪

WD.54-L-1声光效应与超声光栅实验仪使用

说

明

书#图4声光效应与超声光栅实验仪【实验内容】声场光栅的演示及声速测量：声场光栅就是超声波波阵面轮廓成像，由于光波波阵面变成褶皱波阵面，通光的能力随褶皱波阵面产生周期性的变化，其图形是明暗相间等间距的分布条纹，是超声波对光调制的结果，其图像如图5，实验装置如图6，为了方便实验的操作，超声波的频率适当选择在800KHz。由实验原理分析可以知道该条纹的间距，就是超声波之波长。还可从驻波形成的公式来分析，当D二n•-时入2射波与反射波形成驻波，如果D为确定值时，可以调节信号源在声光介质中形成不同频率的驻波振动，A的大小与n值有关。所以实验中可以改变信号发生器输出频率，就能观察到多次形成条纹成像，当然条纹的间距宽度会发生变化。

超声头王一・S元屏St+S超声头王一・S元屏St+S1图6利用该现象可以测量在介质中的声速。如果相邻两条纹之间的距离为a，可以利用相似三角形的原理得到：(6)7）.2a•S(6)7）A=iS+S12如果f为超声波的频率，从而可以得到液体中声速为C=A・f2a•SC=A・fi•S+S12也可从驻波形成的原理来进行测量，固定D为确定值的时候，在D二n时入2射波与反射波形成驻波，调节频率可以在声光介质中形成不同的驻波振动，f的大小与n值有关。当激光束以垂直声场的方向入射时，在超声头频率响应带宽厶f范围内，调节f的大小，根据公式D二n可以找到多个形成条纹象相2对应的f值，因此可以通过光栅图像形成点判断n值的变化。哙对该公式取微风，即Cdf=dn•—（8）2DC如果令dn=1贝U：df=——或C=2D•纣（9）2D这里△f为相邻两次出现光栅图像的频率差，如果能测量出D的长度，再通过频率计读出精确测定的大小，进而求出声速。

超声光栅演示及声速测量:在上述实验的基础上，提高超声波的频率到10MHz左右，这时采用图7的实验方案：就可以观察到衍射图像，属于拉曼—奈斯衍射。i)S2光屏超声头信号发生器图7i)S2光屏超声头信号发生器图7根据公式Asin0二K九由于角度8很小，实验中如能测量出屏与水槽之间的距离S2,以及0级到K级条纹的间距T,由公式得:10)因为当角度8很小的时候，可以近似地利用：sin点杠T得出:211)人K•九•S11)A=2T如果知道声波频率f,则声速：12)【实验步骤】1.声场光栅测液体中声速(选择800KHz金属封装超声换能器和DHSG-2信号发生器)，按图6开展实验。将玻璃容器中盛入水液体，将超声波探头微微浸入液体上表面几毫米深处，

并且使探头平行于玻璃容器底部。利用一焦距f=16mm的凸透镜将入射的平

行激光束散射，凸透镜与玻璃容器的中心距离定位在200mm左右，玻璃容

器中心与投射屏之间的距离调节为600mm。打开激光发生器，根据激光束,

仔细调节使其三者同轴。控制室内的光线。打开信号发生器，仔细观察水

槽，可以看到在超声波作用下的水波链，通过调节发射强度及频率，直到

屏幕上光栅投影条纹最为清晰。若屏幕上光栅投影条纹不够清晰，可以尝试调节超声换能器水平调节螺钉和改变水槽到凸透镜之间的距离。在换能器的某个频率段，换能器的输出功率将会很大，水槽中将形成强烈的空化左右，带来水柱的剧烈振荡，这时形成的光栅投影条纹将模糊不堪，所以在实验时必须仔细调节，找到换能器的最佳工作频率点，使探头下方的超声光栅场均匀稳定。TOC\o"1-5"\h\z——DiDsDsSn-iD斗DsD6——D?图8S条纹a的测量可以按图8所示，用公式♦二—来测量，其中是N条纹N-1数，SN1是D到D条纹的间隔。N-11NSf+S],S2可以直接从光具座上读出。用公式6、7求出声速。改变透镜到屏的位置，再次测量屏上的条纹的间隔长度a,将数据记录于下表1：表1：f=(KHz)Sf+S](mm)S[(mm)S2(mm)S(mm)6a(mm)A(mm)C(m/s)注：表中Sf=16mm,S]=(Sf+S1)-16mm；S6=SN-],图8中N=7。利用公式(7)测量出液体中的声速。将测出的声速与声波在水中传播速度的理论值：C=1557-0.0245x(74-t)2m/s(其中：t为水的温度)作比较，计算相对误差。超声光栅(1)去掉凸透镜，换上10MHz的有机玻璃封装超声换能器和DHSG-1信号发生

器，按图7所示进行实验。调节换能器的水平位置以及信号发射频率，使屏幕上显示清晰的点状条纹，如图9所示。（2）测量0级与K级衍射条纹的间距T,有关数据填下表2表2：f=（KHz）