利用光柵測量液體中的聲速

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1、超聲光柵測液體聲速??【實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹????1.理解超聲光柵形成的原因,了解聲光作用的原理。????2.調(diào)整光路,用超聲光柵聲速儀測量聲波在液體中的傳播速度。??【實(shí)驗(yàn)原理】???一、超聲光柵及其成像特點(diǎn)???任何能對入射光相位、振幅給與周期性空間調(diào)制的裝置,都可稱為光柵。載有超聲波的液體(本實(shí)驗(yàn)是液體槽)具有上述作用,所以稱為超聲光柵,其光柵常數(shù)等于超聲波波長。???當(dāng)壓電晶體被信號發(fā)生器激勵產(chǎn)生超聲波時,適當(dāng)調(diào)節(jié)壓電晶體與反射板之間的平行度,使槽內(nèi)形成駐波。這時如果用具有一定擴(kuò)散角度的線光源垂直于聲波方向照射透明液槽,在液槽的另一側(cè)成像裝置上可以觀察到光線被超聲駐波調(diào)制而產(chǎn)生

2、的明暗相間的條紋,這是超聲波駐波的自身放大像,即超聲光柵的自身影像,其條紋間距對應(yīng)于超聲波的半波長。??二、測量基本原理???當(dāng)我們用點(diǎn)光源(球面波)照射超聲光柵時,類似投影幻燈形式可看到被放大的超聲光柵自身像,即超聲駐波像。由于超聲波頻率可由頻率計(jì)測得,其波長可由駐波像的間隔測得,根據(jù)關(guān)系式????????????????v=L/Y(1)???可得到超聲波在該介質(zhì)中的傳播速度值,這種利用超聲光柵測聲速的方法,通常稱為振幅柵法。??測定波長的方法及特點(diǎn)???1.振幅柵法(超聲光柵駐波像法)???在聲波傳播方向上利用測微裝置測量液槽的移動,此時顯示器上駐波的放大像也隨著移動,利用

3、顯示屏上的十字標(biāo)記,記錄移過標(biāo)記的條紋數(shù)。如果液槽移動距離為L(利用數(shù)顯卡尺測定),已過標(biāo)記的條紋數(shù)為N,則待測液體的聲波波長為????????????????(2)???由公式(1)和(2)得到最后測量公式???????????(3)????2.干涉法、相位法(見空氣聲速測定實(shí)驗(yàn)介紹)????【實(shí)驗(yàn)裝置】??????1.載有超聲波的透明液槽,透明液槽內(nèi)裝有產(chǎn)生超聲振動的壓電晶體。??????2.穩(wěn)頻超聲波信號源:1.710MHz。??????3.微小平行移動距離的測微裝置。??????4.前置狹縫及光源。??????5.觀察超聲駐波像的成像裝置:CCD攝像鏡頭和顯示器等。??

4、?????????A:超聲波信號源??????F:圖像顯示器?????E:CCD攝像鏡頭???????G:微小平移測微裝置??????????H:壓電傳感器?????????I:透明液體???????J:前置狹縫及光源??????????????????????????????????????????????????????????圖2??實(shí)驗(yàn)裝置圖????【實(shí)驗(yàn)步驟】?????1.把液槽放在測微測量裝置上,裝滿待測透明液體,使超聲波傳播方向與測微裝置移動方向一致。?????2.調(diào)整光路。把光源、液槽、CCD攝像頭依次調(diào)整等高、同軸,并使光束的照射方向和液槽內(nèi)聲波傳播方向嚴(yán)格垂

5、直。?????3.接通光源,連接超聲波信號發(fā)生器的輸出端與超聲波液槽信號輸入插頭,接通電源使超聲波信號發(fā)生器開始工作(注意:超聲波信號發(fā)生器不能空載工作)。????4.認(rèn)真調(diào)節(jié)狹縫的方向和光源的高度。要求狹縫的方向與聲波波陣面嚴(yán)格一致,使顯示器屏幕上能夠觀察到清晰的條紋。調(diào)整CCD攝像頭的位置,使明暗相間的條紋充滿顯示屏的整個視場。?????5.測量時,測量者先決定液槽的移動方向,然后按測量方向移動測微裝置,使光屏上的十字標(biāo)記與某條紋正好對齊,將測微儀數(shù)顯值調(diào)節(jié)為零,然后一邊按原來的方向繼續(xù)移動液槽,一邊記下移過十字標(biāo)記的條紋數(shù)計(jì)入表1。????【數(shù)據(jù)記錄及處理】??????一

6、、整理原始數(shù)????????????表1??????待測液體:????????溫度:?????????℃?????????測量條紋數(shù)=40條紋數(shù)Li第條紋讀數(shù)值(㎜)條紋數(shù)Li+40第條紋讀數(shù)值(㎜)測量距離Li+40-Li波長(㎜)1?41???2?42???3?43???4?44???5?45???6?46???7?47???8?48???9?49???10?50?????????二、求波長測量結(jié)果????????????1.測量最佳值:?????????????????(mm)????????????2.波長的A類不確定度:??????????????????????3.

7、波長的B類不確定度:???????????????其中????????????4.波長的合成不確定度:?????????????????????5.測量結(jié)果表達(dá)式:????????????????三、液體聲速測量結(jié)果計(jì)算????????????1.聲速測量最佳值:????????????(頻率信號發(fā)生器的頻率值)????????????2.聲速測量不確定度:?????????,(其中,)????????????3.液體聲速測量結(jié)果:?????????超聲光柵測聲速實(shí)驗(yàn)報(bào)告學(xué)習(xí)資料2008-0

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