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。
- 配套讲稿:
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