声光效应测液体声速实验综述报告

韩修林，吴言宁，李世刚，赵晓云

(阜阳师范大学 物理与电子工程学院，安徽 阜阳 236037 )

声光效应是指光通过某一受到超声波扰动的媒质时发生的衍射现象，这种现象是光波与媒质中声波相互作用的结果.1935年，拉曼(Raman)与奈斯(Nath)通过大量的实验证实：在一定条件下，可见光通过受超声波作用的媒质时，会有很明显的衍射现象，且衍射条纹的光强分布类似于普通光栅，故称该媒介为超声光栅[1].

声光效应技术应用非常广泛，在工业、科学、军事等诸多领域发挥着越来越重要的作用[2-6].让理工科大学生了解并掌握先进科技在不同领域实际应用是新工科(Emerging Engineering Education，3E)背景下大学物理实验创新教育的根本任务.利用超声光栅测声速实验是大学物理实验中一经典的近代物理实验，国内外很多学者对该实验进行了不少的研究，提出了很多优秀的改进意见[7-8].文章参考这些文献对声光效应测液体声速实验综述，旨在提高学生综合实验技能，培养学生的科研能力和创造力,激发学生的求知欲，满足科学技术飞速发展和社会对人才质量的要求.

1 实验原理

1.1 超声光栅形成原理

当一列超声行波在液体中传播时，会造成液体局部压缩和伸展弹性应变，这种弹性应变使局部液体密度随之发生周期性的变化，压缩使液体的局部密度变大，伸展作用会使液体的局部密度变小，液体的局部密度周期性变化导致液体折射率和相位的周期性变化，形成超声相位光栅.这一超声行波形成的超声相位光栅，栅面是在空间随时间移动的.

若超声波表述为

y(x,t)=Acos2π(t/Ts-x/Λ)

(1)

式(1)中，x正方向为波的传播方向，y代表各质点沿x轴方向偏离平衡位置的位移,A表示质点的最大位移(振幅)，Ts为超声波的周期,Λ为超声波波长.则折射率的周期性分布表示为

n(x,t)=n0+Δncos2π(t/Ts-x/Λ)

(2)

折射率的增量Δn(x,t)=Δncos2π(t/Ts-x/Λ)是按余弦规律变化的.若超声波遇到垂直传播方向上的一个阻挡平面，又会反射而反向传播，当反射平面距波源为半波长整数倍时，入射波和反射波叠加使液体内部形成稳定的驻波场，驻波场中液体折射率分布则为

n(x,t)=n0+2Δncos(2πx/Λ)cos(2πt/Ts)

(3)

式(3)中，2Δncos(2πx/Λ)表明驻波振幅不随时间变化.在x=mΛ/2(m= 0，1，2，3，…)各点的振幅为极大，等于2Δn，这些点称为驻波波腹，相邻波腹间的距离为Λ/2.在x=(2m+1)Λ/4的各点的振幅为0，这些点称为波节，相邻波节间的距离也是Λ/2,因此超声驻波形成的超声相位光栅是固定在空间的.驻波位相为2πt/Ts，是时间t的函数，不随空间变化,某一时刻，驻波的任一波节两边的质点都涌向这个节点，使该节点附近形成质点密集区，而相邻的波节处为质点稀疏区，半个周期后，这个节点附近的质点又向两边散开变为稀疏区，相邻波节处变为密集区.可见，液体内距离等于波长Λ的任何两点处，其密度、折射率相同.因此，有超声波传播的液体相当于一个相位光栅，光栅常数就是超声波的波长.

1.2 利用超声光栅衍射(拉曼-奈斯型衍射)测量液体中声速

当单色平行光沿垂直于超声波传播方向通过液体时，由于光速远大于液体中声速，可以认为光波的一波阵面通过液体的过程中，液体的疏密及折射率的周期性变化情况没有明显改变，相对稳定.这时，因折射率的周期性变化将使光波通过液体后在原先的波阵面上产生相应的周期变化的位相差，在某特定方向上，出射光束会相干加强(或减弱)，产生衍射，经透镜聚焦后，即可在焦平面上观察到衍射条纹.因满足声光拉曼-奈斯衍射条件：2πλl/Λ2≪1时，这种衍射称为拉曼-奈斯衍射，相似于平面光栅衍射[9].

根据光栅方程可得

Λsinθk=kλ(k=0，±1，±2，±3,…)

(4)

式(4)中，θk为第k级衍射光的衍射角，λ为光波波长.当θk角很小时，可近似有sinθk=dk/f(其中dk为衍射光谱上0级至k级的距离，f为透镜L2的焦距)，可以认为各级条纹是等间距分布的.则超声波波长为

Λ=kλ/sinθk=kλf/dk=λf/Δd

(5)

式(5)中，Δd为相邻条纹间距.超声池中传播的超声波的频率υs可由超声光栅仪上的频率计读出，则超声波在液体中传播的速度为

V=Λνs=λfνs/Δd

(6)

因此，利用超声光栅衍射可以测量液体中的声速.

2 实验装置

2.1 实验装置简介

1．单色光源(钠、汞或氦氖激光) 2．狭缝 3．分光计平行光管 4．PZT超声池 5．分光计载物台 6．分光计望远镜光管 7．测微目镜 8．平行光管物镜L1 9．接线柱 10．PZT 11．望远镜光管物镜L2 12.测微目镜分划板图1 实验装置示意图

仪器由超声信号源、超声池、高频信号连接线、测微目镜等组成，并配置了具有11MHz左右共振频率的锆钛酸铅陶瓷片.图1是在分光计上用WSG-1型超声光栅仪测液体声速实验装置图.

3 实验步骤

3.1 调节分光计

①调节望远镜聚焦于无穷远.②调节望远镜主轴垂直于载物台转轴③调节平行光管发出平行光且平行光管主轴与转轴垂直.具体调节方法与技巧见文献[10].

3.2 衍射条纹调节

转动望远镜使平行光管狭缝像使狭缝像与“丰”字型分划板调整叉丝竖线重合，锁死望远镜.超声池内装好液体后，放置到分光计的载物台上，调节载物台水平调节螺丝，使反射回的绿十字像与“丰”字型分划板调整叉丝线重合，锁死载物台，确保光路与超声池内超声波传播方向垂直.连接好超声池上的压电陶瓷片与高频功率信号源上的连线，调节高频功率信号源的频率，先粗调，后微调，直到通过望远镜能观察到±3级以上衍射条纹，调节狭缝宽度调节螺丝使衍射条纹最细，将望远镜目镜换成测微目镜，前后移动测微目镜使衍射条纹最清晰，旋转测微目镜，使目镜视场中分划板标尺与衍射条纹平行，固定测微目镜.微调超声池盒盖使PZT压电陶瓷片与声波反射面平行，确保正负衍射级条纹对称且亮度一致.

3.3 相邻条纹间距的测量

1)换上低压汞灯单色光源，将测微目镜分划板标尺移至-3级紫光衍射条纹左侧，单向移动标尺，逐次测出-3、-2、-1、0、1、2、3级条纹位置Xk,再反向进行测量(共2次).

2)重复1)操作，分别对绿光、黄光衍射条纹进行测量.

3)换上低压钠灯单色光源，重复1)操作，对钠黄光衍射条纹进行测量.

4)换上氦氖激光单色光源，重复1)操作，对激光衍射条纹进行测量.

4 实验数据处理

表1 超声光栅测速(汞光源)数据记录表 透镜焦距f=170 mm

表2 超声光栅测速(钠光源)数据记录表 透镜焦距f=170 mm 钠黄光λ=589.3 nm

表3 超声光栅测速(激光光源)数据记录表 透镜焦距f=170 mm 激光λ=632.8 nm

5 结束语

表1是用低压汞灯作为单色光源测得实验数据，表2是用低压钠灯作为单色光源测得实验数据，表3则采用氦氖激光作为单色光源.实验过程中我们发现使用氦氖激光虽然单色性较好，但是激光很刺眼，还有些散光，不利于衍射条纹位置测定；使用钠光只能观测到黄光衍射谱线，由于存在双黄线，光源单色性稍差，使得测量误差相对较大；低压汞光源作为单色光源，可以管观察到黄、绿、蓝、青、紫5条谱线，由于后两种谱线较弱，故实验只测前3种谱线，且实验误差也相对较小，综上所述，实验采用汞光灯作为单色光源较好.

纵观3个表格数据可以看出，实验数据的准确度较好，与液体中声速理论值较接近，实验数据比较理想.实验过程中，利用超声光栅观察到的衍射现象及实验数据，满足拉曼-奈斯型衍射.