中国石油大学（华东）：《近代物理实验》课程教学资源（讲义）实验1-3 超声光栅测量液体中的声速（PPT）

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EXIT 《近代物理实验》 超声光栅测量透明液体中声速 ◼ 声波与声速测量技术简介 ◼ 超声光栅测量透明液体中声速的实验目的 ◼ 声光器件-超声光栅 ◼ 实验1-3 超声光栅测量透明液体中声速

声波与声速测量技术简介 声波：机械振动在空气介质中的传播，属于纵波。 可听声波的频率范围20Hz~20kHz。波速u 超声波：频率大于20kHz的声波。 方向性好，穿透能力强，易于获得较集中的声能。分为功率超声波及 检测超声波。可用于测距、测速、清洗、焊接、碎石、杀菌消毒等。 在医学、军事、工农业上有很多的应用。 次声波：频率小于20Hz的声波。 次声波武器大体可分为两类：神经型次声武器和器官型次声武器。 神经型一和人脑阿尔法节律(8~12Hz)相同，引起大脑共振。 器官型 和人体内脏器官的固有频率（4~18Hz)相同， 引起人的五脏六腑产生强烈共振。 《近代物理实验》 中圆不油大号国 CHINAUNIVERSITY OF PETROLELM

EXIT 《近代物理实验》 ➢ 声波：机械振动在空气介质中的传播，属于纵波。 可听声波的频率范围20Hz～20kHz。波速u 声波与声速测量技术简介 k u  = ➢ 超声波：频率大于20kHz的声波。 方向性好，穿透能力强，易于获得较集中的声能。分为功率超声波及 检测超声波。可用于测距、测速、清洗、焊接、碎石、杀菌消毒等。 在医学、军事、工农业上有很多的应用。 ➢ 次声波：频率小于20Hz的声波。 次声波武器大体可分为两类：神经型次声武器和器官型次声武器。 神经型——和人脑阿尔法节律（8～12Hz）相同，引起大脑共振。 器官型——和人体内脏器官的固有频率（4～18Hz）相同， 引起人的五脏六腑产生强烈共振

声波与声速测量技术简介 声速、声衰减是反映介质声学特性的重要参量，介质不同，其声速、声衰减不同。 声速的测量原理 声速测量方法主要有： 1.共振干涉法 2.相位比较法 3.超声光栅法 4.时差法 5.频谱分析法 ?近代物理实验》 中圆不油大号陶 CHINAUNIVERSITY OF PETROL三M

EXIT 《近代物理实验》 ➢ 声速、声衰减是反映介质声学特性的重要参量,介质不同，其声速、声衰减不同。 ➢ 声速的测量原理： L u t = u f =   ➢ 声速测量方法主要有： 1.共振干涉法 2.相位比较法 3.超声光栅法 4.时差法 5.频谱分析法 声波与声速测量技术简介

超声光栅测量透明液体中声速实验目的 1.了解超声波的产生方法； 2.理解超声光栅的基本原理，学会观测超声光栅的衍射现象； 3.掌握超声光栅测量透明液体介质中声速的原理、方法和实验技术，并 建立声速与液体浓度的经验关系式。 拓展思考：本实验的测量方法、实验技术、 测量结果在实际生产生活中 的潜在用途有哪些？ 《近代物理实验》 中圆不油大号国 CHINAUNIVERSITY OF PETROLELM

EXIT 《近代物理实验》 1.了解超声波的产生方法； 2.理解超声光栅的基本原理，学会观测超声光栅的衍射现象； 3.掌握超声光栅测量透明液体介质中声速的原理、方法和实验技术，并 建立声速与液体浓度的经验关系式。 拓展思考：本实验的测量方法、实验技术、测量结果在实际生产生活中 的潜在用途有哪些？ 超声光栅测量透明液体中声速实验目的

声光器件.-超声光栅 1.光栅 具有周期性的空间结构或光学性能（如透射率、折射率）的衍射屏，统称为光栅。 按工作方式分，光栅又可分为透射光栅和反射光栅。 行射角 光榻法线 b la (a+b)sin0=dsin0=ka 、射波前 d(sina±sinB)=k入 衍射波前 光橱常数入 (a+b)sine b:透光部分的宽度 a:不透光部分的宽度 d 先腰常数：105-106m 近代物理实验》 中圆不油大号国 IINAUXIV作YOp2OL曰

EXIT 《近代物理实验》 1.光栅 声光器件-超声光栅 具有周期性的空间结构或光学性能(如透射率、折射率)的衍射屏，统称为光栅。 按工作方式分，光栅又可分为 透射光栅和反射光栅。 (a b d k + = = )sin sin    d k (sin sin     =)

声光器件.-超声光栅 2.光栅衍射图样 衍射光栅 sino (/a) 光德街附 光属面线 轮演线 sin 8a/d) 《近代物理实验》 中圆不油大号国 CHINAUNIVERSITY OF PETROLELM

EXIT 《近代物理实验》 2.光栅衍射图样 声光器件-超声光栅

声光器件.-超声光栅 3.超声光栅 1922年，布里渊预言当高频声波在液体传播时，如果有可见光通过该 液体，首次提出声波对可见光会产生衍射，被称作声光效应。 1932年，德拜、席尔斯在美国以及陆卡、毕瓜在法国分别独立地首次观察到光在液体中 的超声波衍射的现象。 1935年，拉曼(Raman)和奈斯Nath)对声光效应进行研究发现，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。 超声光栅是声光相互作用的一种典型类型，尤其是在声光作用距离较小情况下，光波通 过介质时，介质折射率形成近似不随时间变化的空间周期性分布，因而光波通过这种周 期性分布的介质时，其位相会受到调制，如同经过一个正弦位相光栅，正弦位相光栅与 普通平面矩形光栅的衍射主极大满足类似的光栅方程。 仪近代物理实验》 中圆不油大号国 NAtW生RSTTYOEP2O扫

EXIT 《近代物理实验》 声光器件-超声光栅 3.超声光栅 超声光栅是声光相互作用的一种典型类型，尤其是在声光作用距离较小情况下，光波通 过介质时，介质折射率形成近似不随时间变化的空间周期性分布，因而光波通过这种周 期性分布的介质时，其位相会受到调制，如同经过一个正弦位相光栅，正弦位相光栅与 普通平面矩形光栅的衍射主极大满足类似的光栅方程。 1932年，德拜、席尔斯在美国以及陆卡、毕瓜在法国分别独立地首次观察到光在液体中 的超声波衍射的现象。 1922 年，布里渊预言当高频声波在液体传播时，如果有可见光通过该 液体，首次提出声波对可见光会产生衍射，被称作声光效应。 1935年,拉曼( Raman) 和奈斯(Nath) 对声光效应进行研究发现，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

声光器件-超声光栅 液体中介质折射率分布函数为： 速度 2 nx= no-nsin 密 密 no为液体原来的折射率，n是相对于no的折射 密度 率最大变化量，A为超声波在液体中的波长。 Asin0k=±k2 折射率心 超声光栅是一种可擦除的实时光栅，其光栅常数可以通过超声波的频率来控制，利用超 声光栅技术可以对声波特性（如频率、波速、波长、相位等）等进行测量。随着激光技术 的发展，声光相互作用在控制光的强度、传播方向等方面又得到了新的应用，因此越来 越受到人们的关注。 《近代物理实验》 中圆不油大号国 CHINAUNIVERSITY OF PETROLELM

EXIT 《近代物理实验》 声光器件-超声光栅  = − x nx n n 2 0 sin n0为液体原来的折射率，n是相对于n0的折射 率最大变化量，Λ为超声波在液体中的波长。 液体中介质折射率分布函数为： sin  k = k x x 超声光栅是一种可擦除的实时光栅，其光栅常数可以通过超声波的频率来控制，利用超 x 声光栅技术可以对声波特性 (如频率、波速、波长、相位等) 等进行测量。随着激光技术 的发展，声光相互作用在控制光的强度、传播方向等方面又得到了新的应用，因此越来 越受到人们的关注

声光器件-超声光栅 23 888a ?近代物理实验》 中圆不油大号陶 IINAUXIV生YOp2OL曰

EXIT 《近代物理实验》 声光器件-超声光栅

实验1-3超声光栅测量透明液体中声速 1.实验测量系统的组成 超声光栅声速仪 PZT晶体 《近代物理实验》 中圆不油大学 CHINAUNIVERSITY OF PETROLELM

EXIT 《近代物理实验》 1.实验测量系统的组成 实验1-3 超声光栅测量透明液体中声速 超声光栅声速仪 液 槽 (载物台) PZT晶体 平行光管 钠光灯 望远镜 （测微目镜） 分光计