浙光WSGI 超声光栅声速仪 说明书106110.docx

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浙光WSGI超声光栅声速仪说明书106110

WSG-I型超声光栅声速仪说明书

一、前　　言

本仪器隶属声光效应实验范畴，在光路中放置一产生声波振动的媒介实现对透过光的调制，而且调制效果可以与声信号存在可计算的联络，让学生了解如何对光信号进行调制，以及实现这一过程的手段，同时也为测量液体（非电解质溶液）中的声速提供另一种思路和方法，而采用超声光栅技术测量液体中的声速，具有设备简单、操作方便、精确度高等优点。

WSG－I型超声光栅声速仪为专利产品（专利号:

02260193.7），XX，凡生产、销售、购买仿制产品均属侵权行为。

二、原　　理

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（亦称声光效应）。

超声波作为一种纵波在液体中传播时，其声压使液体分子产生周期性的变化，促使液体的折射率也相应的作周期性的变化，形成疏密波。

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，就会被衍射，这一作用，类似光栅，所以称为超声光栅。

超声波传播时，如前进波被一个平面反射，会反向传播。

在一定条件下前进波与反射波叠加而形成超声频率的纵向振动驻波。

由于驻波的振幅可以达到单一行波的两倍，加剧了波源和反射面之间液体的疏密变化程度。

某时刻，纵驻波的任一波节两边的质点都涌向这个节点，使该节点附近成为质点密集区，而相邻的波节处为质点稀疏处；半个周期后，这个节点附近的质点有向两边散开变为稀疏区，相临波节处变为密集区。

在这些驻波中，稀疏作用使液体折射率减小，而压缩作用使液体折射率增大。

在距离等于波长A的两点，液体的密度相同，折射率也相等，如图一所示。

图一在t和t+T/2（T为超声振动周期）两时刻振幅y，

液体疏密分布和折射率n的变化

单色平行光λ沿着垂直于超声波传播方向通过上述液体时，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。

这种现象与平行光通过透射光栅的情形相似。

因为超声波的波长很短，只要盛装液体的液体槽的宽度能够维持平面波（宽度为

），槽中的液体就相当于一个衍射光栅。

图中行波的波长A相当于光栅常数。

由超声波在液体中产生的光栅作用称作超声光栅。

当满足声光喇曼－奈斯衍射条件　　　

时，这种衍射相似于平面光栅衍射，可得如下光栅方程

（式中k为衍射级次，φk为零级与k级间夹角）

在调好的分光计上，由单色光源和平行光管中的会聚透镜（L1）与可调狭缝S组成平行光系统，如图二所示：

图二WSG-I超声光栅仪衍射光路图

让光束垂直通过装有锆钛酸铅陶瓷片（或称PZT晶片）的液槽，在玻璃槽的另一侧，用自准直望远镜中的物镜（L2）和测微目镜组成测微望远系统。

若振荡器使PZT晶片发生超声振动，形成稳定的驻波，从测微目镜即可观察到衍射光谱。

从图二中可以看出，当φk很小时，有：

其中lk为衍射光谱零级至k级的距离；f为透镜的焦距。

所以超声波波长：

超声波在液体中的传播的速度：

式中的

是振荡器和锆钛酸铅陶瓷片的共振频率，

为同一色光衍射条纹间距。

三、性能指标

1、输入电压220V50Hz

3、输出信号频率：

8～12MHz

工作频率9.5～11.5MHz

4、测微目镜测量范围：

8mm

测量精度：

0.01mm

四、仪器结构

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。

实验应以本公司生产的JJY1’分光计系列为实验平台。

超声信号源面板见图三所示，超声池在分光计上的放置位置见图四所示。

图三超声信号源面板示意图

1、电源开关　　　　　　　　2、频率微调钮

3、高频信号输出端（无正负极区别）　4、频率显示窗

图四液槽放置示意图（其中2、3、4、9为分光计配置）

1、单色光源（钠或汞）2、狭缝3、平行光管

4、裁物台5、接线柱6、液体槽

7、液体槽座　8、锁紧螺钉9、望远镜光管

10、接筒　　　　　　　11、测微目镜

五、实验步骤

1、分光计（调整方法可参阅本公司生产的JJY1’系列分光计的说明书），用自准直法使望远镜聚焦于无穷远，望远镜的光轴与分光计的转轴中心垂直，平行光管与望远镜同轴并出射平行光，观察望远镜的光轴与载物台的台面平行。

目镜调焦使看清分划板刻线，并以平行光管出射的平行光为准，调节望远镜使观察到的狭缝清晰，狭缝应调至最小，实验过程中无需调节。

2、采用低压汞灯作光源。

3、将待测液体（如蒸馏水、乙醇或其他液体）注入液体槽内，液面高度以液体槽侧面的液体高度刻线为准。

4、将液体槽座卡在分光计载物台上，液体槽座的缺口对准并卡住载物台侧面的锁紧螺钉，放置平衡，并用锁紧螺钉锁紧。

5、将此液体槽（可称其为超声池）平稳地放置在液体槽座中，放置时，转动载物台使超声池两侧表面基本垂直于望远镜和平行光管的光轴。

6、两支高频连接线的一端各插入液体槽盖板上的接线柱，另一端接入超声信号源的高频输出端，然后将液体槽盖板盖在液体槽上。

7、开启超声信号源电源，从阿贝目镜观察衍射条纹，仔细调节频率微调钮

（2），使电振荡频率与锆钛酸铅陶瓷片固有频率共振，此时，衍射光谱的级次会显著增多且更为明亮。

8、如此前分光计已调整到位，左右转动超声池（可转动分光计载物台或游标盘，细微转动时，可通过调节分光计图中（15）螺钉实现），能使射于超声池的平行光束完全垂直于超声束，同时观察视场内的衍射光谱左右级次亮度及对称性，直到从目镜中观察到稳定而清晰的左右各3－4级的衍射条纹为止。

9、按上述步骤仔细调节，可观察到左右各3－4级或以上的衍射光谱。

10、取下阿贝目镜，换上测微目镜，接筒在出厂时已装在测微目镜上，调焦目镜，使清晰观察到的衍射条纹。

利用测微目镜逐级测量其位置读数（例如：

从－2、···、0、···、＋2），再用逐差法求出条纹间距的平均值。

11、声速计算公式为：

式中：

－光波波长；

－共振时频率计的读数；f－望远镜物镜焦距（仪器数据）；

－同一种颜色的衍射条纹间距。

六、实验中应注意事项

1、超声池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电频率有微小影响，测量数据时不能触碰连接超声池和高频信号源的两条导线。

2、锆钛酸铅陶瓷片表面与对应面的玻璃槽壁表面必须平行，此时才会形成较好的表面驻波，因此实验时应将超声池的上盖盖平，而上盖与玻璃槽留有较小的空隙，实验时微微扭动一下上盖，有时也会使衍射效果有所改善。

3、一般共振频率在11MHz左右，WSG-I超声光栅声速仪给出9.5－12MHz可调范围。

在稳定共振时，数字频率计显示的频率值应是稳定的，最多只有末尾有1－2个单位数的变动。

4、实验时间不宜过长，其一，声波在液体中的传播与液体温度有关，时间过长，温度可能在小范围内有变动，从而会影响测量精度，一般测量可以待测液体温度同于室温，精密测量可在超声池内插入温度计测量；其二，频率计长时间处于工作状态，会对其性能有一定影响，尤其在高频条件下有可能会使电路过热而损坏，实验时，特别注意不要使频率长时间调在12MHz以上，以免振荡线路过热。

5、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，可用酒精乙醚清洗干净，或用镜头纸擦净。

6、实验中液槽中会有一定的热量产生，并导致媒质挥发，槽壁会见挥发气体凝露，一般不影响实验结果，但须注意液面下降太多致锆钛酸铅陶瓷片外露时，应及时补充液体至正常液面线处。

7、实验完毕应将超声池内被测液体倒出，不要将锆钛酸铅陶瓷片长时间浸泡在液槽内。

8、以下两点可明显提高条纹清晰度和衍射级次

1将狭缝内的毛玻璃片卸除

2光源尽量靠近狭缝

七、应用实例

声速计算公式：

式中：

f为透镜L2的焦距（JJY分光计）为170mm；

汞灯波长

（其不确定度忽略不计）分别为：

汞蓝光435.8nm，汞绿光546.1nm，汞黄光578.0nm（双黄线平均波长）。

＜样品1＞　　95%分析乙醇

实验温度23.5℃　　　

＝12.15±0.02MHz（0.17%）

测微目镜中衍射条纹位置读数,小数点后第三位为估数值：

（mm）

级色

-4

-3

-2

-1

0

1

2

3

4

黄

0.937

1.941

2.968

4.035

5.054

6.083

7.100

绿

0.145

1.100

2.080

3.072

4.035

4.981

5.951

6.926

7.900

蓝

0.934

1.708

2.460

3.243

4.035

4.809

5.559

6.335

7.109

用逐差法计算各色光衍射条纹平均间距及标准差：

光色

衍射条纹平均间距X±бx

声速v

黄

1.0326±0.0026mm，0.25%

1156±4m/s，0.30%

绿

0.9726±0.0018mm，0.20%

1160±3m/s，0.26%

蓝

0.7733±0.0020mm，0.26%

1164±4m/s，0.31%

将三种不同的波长测量的声速平均得：

Vc＝1160m/s　　0.35%　　手册值：

1168m/s　　（C2H5OH　20℃）

＜样品2＞　纯净水

实验温度：

24℃　　V＝12.24±0.02MHz（0.17%）

测微目镜中衍射条纹位置读数：

（mm）

级色

-4

-3

-2

-1

0

1

2

3

4

黄

1.621

2.390

3.195

4.036

4.826

5.630

6.432

绿

0.986

1.748

2.489

3.275

4.036

4.772

5.536

6.302

7.073

蓝

1.583

2.197

2.782

3.395

4.036

4.611

5.219

5.828

6.434

用逐差法计算各色光衍射条纹平均间距及标准差：

光色

衍射条纹平均间距X±бx

声速v

黄

0.8068±0.0041mm，0.49%

1491±8m/s，0.53%

绿

0.7593±0.0022mm，0.29%

1497±5m/s，0.33%

蓝

0.6068±0.0019mm，0.21%

1495±6m/s，0.40%

将三种不同的波长所测量的声速平均得：

Vc＝1494m/s　　手册值：

1482.9m/s（H2O　　20℃）

水中的声速随温度作抛物线式变化，V水＝1557-0.0245（74-t）2，如果按照这个公式进行计算，则得到t=24℃时水中的声速为：

1495m/s。

实测数据及计算结果同标准值相比，误差较小。

从中可以看出，不同液体中的声速有很大差别。

在不同的温度下所测量的实验数据都会有微小的变化，在一般情况下，液体的声速的温度系数大多数是负的（见附录），且接近线性变化，即随着温度的升高，液体中的声速会下降。

八、特别提示

1、本仪器仅可与我公司生产的JJY1’系列分光计配套，用户购买时请说明原使用我公司分光计型号，以便提供适用的配件，对非本公司生产的分光计，由于存在仪器结构和参数上的差异，请勿配套，否则因此产生的一切后果由用户自负，特此说明，请用户谅解。

2、传声媒介在含有杂质时对测量结果影响较大，建议使用蒸馏水（或可暂取市售饮用纯净水代用）分析纯酒精、甘油等，对某些有毒副作用的媒质（如苯等），不建议学生实验中使用，教师教学或科研需要时，应注意安全。

3、长时间不用时，请将测微目镜收于原装木箱中并放置干燥剂；液体槽应请洗干净，自然晾干后，妥善放置，不可有灰尘等污物侵入。

4、为便于实验课讲解，建议购置WSG－CCD超声光栅示教仪。

九、装箱单：

1、超声信号源1台

2、液体槽1只

3、锆钛酸铅陶瓷体连液体槽盖板1只

4、JX8测微目镜及连接套（已装配在一起）1只

5、液体槽座1只

6、高频信号线2根

7、备用保险丝1枚

8、使用说明书　　　　　　　　　　　　　　1份

9、合格证（含测微目镜的合格证）　　　　　1张

选购件（详见我公司产品价目表或图片）：

1、JJY1’系列分光计　　　　　　　　　　　1台

2、GP20Hg低压汞灯　　　　　　　　　　　1台

（发光窗与分光计狭缝等高，无须调节高度）

附录：

声波在下列物质中传播速度见附表：

20℃纯净介质。

液体

t0℃

V0（m/s）

A（m/s·k）

苯胺

20

1656

-4.6

丙酮

20

1192

-5.5

苯

20

1326

-5.2

海水

17

1510-1550

/

普通水

25

1497

2.5

甘油

20

1923

-1.8

煤油

34

1295

/

甲醇

20

1123

-3.3

乙醇

20

1180

-3.6

表中A为温度系数，对于其他温度t的速度可近似按公式Vt=V0+A（t-t0）计算。