文档介绍：实验 27 超声光栅衍射实验报告【实验目的】 1. 掌握超声光栅原理 2. 学会利用超声光栅测量液体中的声速【实验仪器】超声源,玻璃皿,激光器,光具座,会聚透镜,超声探头支架,金属白屏。【原理概述】 1. 超声光栅具有弹性纵向的平面超声波, 在液体介质中传播时,其声压时液体分子产生疏密交叠的变化,促使液体的折射率也相应的作周期性变化。这种疏密波也是折射率梯度传播的一种模式,形成的层次结构就是超声波的图像。光从垂直方向透射过超声场后,会产生折射和衍射。这一作用,类似光栅,所以叫做超声光栅。超声光栅原理图 2. 超声波的速度与介质的性质超声波在介质中传播的性质, 用声速和衰减度系数两个基本量来表述。超声波速度不仅与声压(p) 、密度(?) 、折射率(n) 有关,而且还受到其他物理性质的影响,因此声速与许多重要的物理参数有关。在正弦变化的声场中, 超声波运动的速度, 声压以及介质的密度和折射率的变化规律, 都是类似的,都可以用波动方程表示。描述超声场中折射率周期性变化的表达式为: ) cos( ),( 0 kytnntyn?????(1) 其中?为超声波的圆频率, k 为波矢量。 3 、超声的驻波和行波正弦超声平面波由垂直于玻璃皿底面的方向射于液体中, 则声场中的压力波会被底面反射,形成与入射波同频率的一列反射波,这两列波的声压可分别表示为: ?????????)( )( kyti rA r kyti iAePP eP Pi ??(2) 两列同频率的波相向传播时,依叠加原理,合成声场的声压为 riPPP??,即)()( cos 2 kyti rA iA tiiePP kye PP ??????(3) 由上式可见, 合成声场由两部分组成, 第一项代表驻波场, 第二项表示在 y 方向传播的平面波,其振幅为原先两列波振幅之差。若实验中弹性的平面波得到完全反射,则式(3) 右边第二项可以略去, 合成的超声波就是一个纯粹的驻波场。介质密度分布和折射率的分布也与驻波场的变化相一致。声压形成的光密处为波节,光疏处为波腹。由于光向折射率大的的方面弯曲, 波节处交迭地每隔半个周期呈现一次会聚强光。实验观察到的超声场的图像,是相对的长时间的平均效应。 4 、超声衍射的观测因光速度远大于声速,即??? C ,光线很快的通过了超声场,而折射率周期变化所形成的“超声光栅”可以认为是不动的,即把折射率的空间固定的看成: kynnn cos 0???(4) 这样所形成的超声光栅对光的衍射可表示为: ??K k??? sin (5) 式(5) 中?和?分别为超声波和入射光的波长,k?为K 级衍射角。由该式可知, 如果测出 k?, 且?已知, 则可测出超声波的波长?。若还知道超声波的频率 f, 则可求出超声波在该液体中的传播速度: f???(6) 这是测量超声波传播速度的有效方法之一。 5 、超声场的观测光线经过液体时, 在波节( 光疏) 处基本不发生偏转。因此当光线通过液体后透射到观测屏上,在波腹处产生出亮条纹,波节处为暗条纹。通过测量透射在观测屏上的 N 条亮条纹间距 d ,利用下式 21 12SS S????(7) 1??N d?(8) 若知道超声波的频率 f ,则可求出超声波在该液体中的传播速度: f???(9) 【实验内容】 1 .在光具座上按图搭好光路,并调节各原件至共轴,调节