1、浙光WSGI 超声光栅声速仪 说明书106110WSG-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。WSGI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
2、)。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
3、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
4、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,k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k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
5、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 220V 50Hz3、输出信号频率: 8 12 MHz工作频率 9.511.5 MHz4、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
6、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
7、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
8、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34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34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
9、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9.512MHz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12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
10、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
11、,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195%分析乙醇实验温度23.512.150.02MHz(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-4-3-2-101234黄0.9371.9412.9684.0355.0546.0837.100绿0.1451.1002.08
12、03.0724.0354.9815.9516.9267.900蓝0.9341.7082.4603.2434.0354.8095.5596.3357.109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Xx声速v黄1.03260.0026mm,0.25%11564m/s,0.30%绿0.97260.0018mm,0.20%11603m/s,0.26%蓝0.77330.0020mm,0.26%11644m/s,0.31%将三种不同的波长测量的声速平均得:Vc1160m/s0.35%手册值:1168m/s(C2H5OH20)样品2纯净水实验温度:24V12.240.02MHz(0.
13、17%)测微目镜中衍射条纹位置读数:(mm)级色-4-3-2-101234黄1.6212.3903.1954.0364.8265.6306.432绿0.9861.7482.4893.2754.0364.7725.5366.3027.073蓝1.5832.1972.7823.3954.0364.6115.2195.8286.434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Xx声速v黄0.80680.0041mm,0.49%14918m/s,0.53%绿0.75930.0022mm,0.29%14975m/s,0.33%蓝0.60680.0019mm,0.21%14956m/
14、s,0.40%将三种不同的波长所测量的声速平均得:Vc1494m/s手册值:1482.9m/s(H2O20)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
15、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WSGCCD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
16、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t0V0(m/s)A(m/sk)苯 胺201656-4.6丙 酮201192-5.5苯201326-5.2海 水171510-1550/普通水2514972.5甘 油201923-1.8煤 油341295/甲 醇201123-3.3乙 醇201180-3.6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。
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