物理·文明
1、 压电陶瓷换能器与超声波 利用压电陶瓷逆效应，在高频信号源（频 率约10MHz）所产生的的交变电场的作用下，发 生周期性的压缩和伸长振动，其在液体中的传播 就形成超声波（>20000Hz)，
物理·文明 2、 超声光栅形成原理
(1) 超声波驻波
超声波纵波在盛有液体的玻璃槽中传播时，液体被周期性地压缩与 膨胀，其密度会发生周期性的变化，形成疏密波。稀疏作用会使液体 密度减小、折射率减小。压缩作用会使液体密度增大、折射率增大， 因此液体密度的周期变化，导致其折射率也呈周期变化。若超声行波 以平面波的形式沿X轴正方向传播时，波动方程可描述为
y 2 A cos 2 π
x

cos 2 π t
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1.某一时刻t，驻波某一节点两边的质点 涌向该节点，使该节点附近成为质点密 集区 ,而相邻两节点附近成稀疏区；液体 密度变化周期与疏密周期同为λ。
图1
初始时刻的波形图
1.在时刻t+1/4，介质中各点均处于平 衡位置，液体的密度处于均匀状态 ；
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超声光栅测量液体中的声速
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4.海南大学物理实验中心网址：http://125.217.98.161:8032/
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学号 000000
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海南大学 大学物理实验C 课程教案
反射板
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(2) 超声光栅
光波在介质中传播时被超声波衍射的现象，称为超声致光衍射。 在透明介质中，有一束 超声波沿着oz方向传播， 另一束平行光垂直于超声 波传播方向（oy方向）入 射到介质中，当光波从声 束区中出射时，就会产生 衍射现象。 在距离等于波长的两点，液体的密度相同，折射率也相 同，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，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，相当 于一光栅，其光栅常数为λ，称为超声光栅。
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3 、光栅方程
光栅方程
d sin k , k 0,1,2,3 明纹 d 若k k , k 0,1,2, 缺级 a
d sin k k
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本实验中
光栅常数为超声波长s lk sin k lk
注意：1、测微 目镜的竖丝或叉 丝交点只能在量 程范围内（一般 取２~８mm）移 动； 2、测量时，只 能沿一个方向旋 转读数鼓轮，避 免空程误差；
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三、实验原理
• 压电效应：对某些电介质晶体施加机械应力时，晶体因内部 正负电荷中心发生相对位移而产生极化，导致晶体两端面上 出现符号相反的束缚电荷，其电荷密度与应力成正比。这种 没有电场作用，由机械应力的作用而使电介质晶体产生极化 并形成晶体表面电荷的现象称为压电效应。当机械应力由压 应力变成拉应力时，电荷符号也改变。 • 电致伸缩效应：与压电效应相反，将具有压电效应的电介质 晶体置于电场中，电场的作用引起电介质内部正负电荷中心 产生相对位移，而这一位移又导致介质晶体发生形变，晶体 的这种由外加电场产生形变的现象称为逆压电效应也叫电致 伸缩效应。晶体形变的大小与外加电场强度成正比，当电场 反向时，形变也改变符号。
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例：为了测量干涉条纹中的10个明（或 暗）条纹距离，可以使叉丝和竖丝对准 第n个明（或暗）条纹，先读毫米标尺 上的整数，再加上鼓轮上的小数，即为 该条纹的位置A。再慢慢移动叉丝和竖 丝，对准第n+10个明（或暗）条纹，得 到位置B。若A=2.735mm, B=4.972mm, 则11个条纹间的10个距离就是: 10△x = B-A = 4.972-2.375 = 2.237mm。
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9．前后移动液槽，从目镜中观察条纹间距是否改 变，若是，则改变透镜L1的位置，直到条纹间距不变。 10．微调超声光栅仪上的调频旋钮，使信号源频率与 压电陶瓷片谐振频率相同，此时，衍射光谱的级次会 显著增多且谱线更为明亮。微转液槽，使射于液槽的 平行光束垂直于液槽，同时观察视场内的衍射光谱亮 度及对称性。重复上述操作，直到从目镜中观察到清 晰而对称稳定的2–4级衍射条纹为止（使衍射的谱线出 现间距最大，且最清晰的状态）记录此时的信号源频 率。 11.利用测微目镜逐级测量各谱线位置读数，测量时单 向转动测微目镜鼓轮，以消除转动部件的螺纹间隙产 生的空程误差（例如：从–3、…、0、…、+3）。
入射光波长 取589.30nm

lk 为衍射零级谱线至第k级谱线的距离 f 为凸透镜2的焦距
k f lk
s 为超声波波长

V 为超声波在液体中的传播速度
为信号源的振动频率
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四、实验步骤与内容 1.将器件按图放置。
2.调节钠灯与狭缝高度；点亮钠灯，照亮狭缝。 3.调节狭缝与透镜L1的位置，使狭缝与光具座垂直 （光具座水平，狭缝竖直），狭缝中心法线与透镜L1 的光轴(即主光轴)重合，且与光具座平行，二者间距 为透镜L1的焦距（即透镜L1射出平行光）。
适用专业：电气、农机、机械、生物科学、交通、通信工程 适用时间：2014年3月——2014年6月
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实验简介
1922年布里渊（L · Brillouin）曾预言，当高频 声波在液体在传播时，如果有可见光通过该液体， 可见光将产生衍射效应。这一预言在10年后被验证， 这一现象被称作声光效应。1935年，拉曼（Raman） 和奈斯（Nath）对这一效应进行研究发现，在一定 条件下，声光效应的衍射光强分布类似于普通的光 栅，所以也称为液体中的超声光栅。
1
20℃时，水（H2O）中标准声速vS=1480.0m/s
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数据处理
1 l k L k L k 1 L k L k 2 2 L k L k 3 3 12





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589.3 109 157.0 103 9.130 106 V 1437(m/s) 3 lk 0.588 10
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声光效应的应用
☆ 激光雷达扫描、电视大屏幕显示器的扫描、高 清晰图像传真、光信息储存。 ☆ 用声光效应制成声光器件，如声光调制器、声光偏 转器，在激光技术、光信号处理和集成光通信技术 等方面有着重要的应用。
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一、实验目的 1.了解超声致光衍射的原理; 2. 掌握利用声光效应测定液体中声速的方法； 3.掌握测微目镜的使用方法
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五、数据记录及处理
衍射级数k
谱线 位置 读数 左→右
-3 -2 -1 0
1
2
3
(mm) 右→左 备注：入射光波长 ：589.3nm， 信号源的振动频率 Hz ： 凸透镜2的焦距f ： mm； 实验室水温： ℃
Vt V0 (t t 0 )
2.5m / s K
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4.调节透镜L2与测微目镜的高度，使二者光轴与主 光轴重合。调焦目镜，使十字丝清晰。 5.调节钠灯位置，使钠灯照射在狭缝上，并且上下 均匀，左右对称，光强适宜。 6．将待测液体（自来水）注入液槽，将液槽放置于 光具座载物台上，放置时，使液槽两侧表面基本垂直 于主光轴（液槽内超声波传播方向垂直）。 7.将高频连接线的一端接入液槽盖板上的接线柱，另 一端接入超声光栅仪上的输出端。 8．调节测微目镜与透镜L2的位置。使目镜中能观察 到清晰的衍射条纹。
图2
T/4周期时刻的波形图
图3
T/2周期时刻的波形图
在半个周期以后，t+T/2，这个节点 两边的质点又向左右扩散，使该波 节附近成为质点稀疏区，而相邻的 两波节附近成为质点密集区。
物理·文明 从图1-图3中我们 可以看到驻波在T/2个 周期内各质点处密度 变化情况，从图中看 出奇数点不发生振动， 这样的点为波节，且 波节与波节处相距 λ/2，相邻节点处的 密度变化不一致，而 相隔一个节点处密度 变化一致。这就说明 密度具有相同变化周 期的最小间隔是λ。
f
20℃时，水（H2O）中标准声速vS=1480.0m/s
Vt V0 (t t 0 ) = 1480＋2.5×（13.7－20） ＝1464 m/s
E Vt V Vt 100% 1464 1437 1464 100% 1.8%
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思考题
1．驻波波节之间距离为半个波长，为什么超声光 栅的光栅常数等于超声波的波长？ 2. 测微目镜测量谱线位置读数时，为什么只能沿 一个方向旋转？ 3. 如果在目镜中观察不到衍射条纹，请分析其原因。 4. 如果在目镜中观察到的衍射条纹条数过少，请分 析其原因。
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二、实验仪器 FB760-8 型 超声光栅实验仪（数字显示高频功率信 号源，内装压电陶瓷片PZT的液槽）、钠光灯、狭 缝、凸透镜1、凸透镜2、测微目镜、水
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（a）是一种常见的丝杠式测微目镜的结构剖面图。鼓轮转动 时通过传动螺旋推动叉丝玻片移动；鼓轮反转时，叉丝玻片 因受弹簧恢复力作用而反向移动。有100个分格的鼓轮每转一 周，叉丝移动1mm，所以鼓轮上的最小刻度为0.01mm。（b） 表示通过目镜看到的固定分划板上的毫米尺、可移动分划板 上的叉丝与竖丝以及被观测的几条干涉条纹。
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注意事项
1.调节个器件时，注意保持其同高共轴同轴等高的调节，以凸 透镜1光轴为主光轴； 2.液槽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 出信号频率有影响，因此不能触碰连接液槽和信号源的导线。 3.压电陶瓷片表面与对面的液槽壁表面必须平行，此时才会形 成较好的驻波，因此实验时应将液槽的上盖盖平。 4.在稳定共振时，数字频率计显示的频率应是稳定的，最多只 有最末尾有1–2个单位数的变动。 5.实验时间不宜过长，因为声波在液体中的传播与液体温度有 关，时间过长，液体温度可能有变化。实验时，特别注意不要 使频率长时间调在高频，以免振荡线路过热。 6.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，可用酒精清洗干净，或用镜头纸擦净。 7.实验完毕应将被测液体倒出，不要将压电陶瓷片长时间浸泡 在液槽内。