近代物理实验十二 声光法测量透明介质中的声速

实验目的：

1．了解声光法测量透明介质声速的原理，意义。 2．掌握用声光法测量不同介质中声速的实验方法。

实验原理：

目前测量介质声速的方法有多种，所利用的基本关系式皆为：

V = s / t或V = fΛ (V为声速、s是声传播距离、t为声传播时间、f为声频率、Λ为声波长)。这些已为大家所共知。本实验仅就声光法测量声速加以叙述。

1．以驻波Raman-Nath型声光调制器为例，由声光效应可知：当调制器注入功率时，声光介质（通光介质）内要形成驻波衍射光栅，其示意图如图九所示，图中d为通光介质厚度：

换能器 m个半波长 换能器 m个d 半波长 d (a)端面为波腹情况 图九

(b)端面为波节情况 显然，由驻波条件：

dm（11）

 2式中m为正整数，Λ为超声波长，Λ=V/f，V为声速，f为功率源频率，代入（11）式有：

dm（12）

V 2f或

fm（13）

V 2d由（13）式可知，当d一定时，可以在通光介质中形成不同频率的驻声波场，其m数由声频f确定。当光束垂直驻波场入射时将产生Raman-Nath衍射。在换能器频率响应带宽Δf范围内调节频率f，可找到不同个m值对应于衍射效应最强点，而衍射效应最强点之间则有暗的过渡，这样通过判别衍射点亮暗的变化，就可以判别m值的变化，对（13）式进行微分：

V 令 m1，则 2dV f2d或 V=2dδf （14）

δf为两次相邻衍射效应最强点间的频率间隔，由（13）、（14）可知，当d确定之后，形成驻波的频率间隔，即两次衍射效应最强点间的频率间隔δf为一常数。当d精确量出后，再由频率计精确测出δf，由（14）式可精确求出声速值。 实验步骤

通过测量频率间隔测量声速

通光介质

He-Ne激光器

换能器 高频功率信号源 频率计

图十

按图十所示装置将各个仪器与光路安排调整好，依次启动激光器、高频功率信号源、频率计及其他各仪器，然后调节功率信号源输出功率到一定值（比如功率表表头满刻度的70%、80%左右），再调节功率信号源频率，在声光调制器通过的介质内形成驻波并使Raman-Nath衍射最强，这时应看到零级光最弱，而其他级衍射光最强，此时频率计指示的声频率为f0，然后调节频率，使频率在f0上下变化，这时可观察到在一系列频率点上衍射效应最强。测出一组衍射效应最强所对应的各频率值f1，f2，…… f0 ……，显然有

Δf = f2 – f1 =……= fp – fp-i = V/2d

（15）

为了减小由f读数误差而引起的δf的误差，在换能器频率响应带宽范围内尽量多测一些点，即使p值大一些，这样相对误差就变小了。由（15）式也可以看出，各个频率的频率间隔相等，只要p数准确，而fp，f2测量也准确，那么δf就准确，中间频率f1，…… fp-1准确与否影响不大，用有关仪器（比如千分尺，测微计更好）精确测量出d，由（14）式即可计算出声速，例如，用此方法可以测出熔石英玻璃，重火石玻璃，水等物质的声速。

测量数据表 fp-1 频率 f1 f2 f3 …… f0 …… fp 频率值 f2 - f1 f3- f2 …… …… …… …… fp - fp-1 Δf * 在本实验仪器中，声波在晶体中的速度值为3632m/s * d值已在声光器件上标出

fm附录

平面全反光镜和半反半透镜的结构及调节

 下文中引用的编号与第五页图6（光路图）相对应

全反光镜⑥⑦的外形及调节

俯仰调校螺母 止动螺钉

全反光镜②⑤⑧的外形及调节

旋转3个调校螺母，使前方全反光镜⑤反射到全反光镜⑥上的光再反射90º，这反射光线应与导轨A严格平行。是否达到上述要求，可在位于导轨A起点（0位）的直角棱镜小车A上设一接收点（比如放一片白纸），并使其与反射光严格重合，然后移动直角棱镜小车A至导轨末点，若直角棱镜小车A在沿导轨移动的全过程，反射光线与接收点始终重合，这标明反射光线与导轨A严格平行。若移动过程中，反射光逐渐偏离接收点，则表明反射光与导轨A不平行，必须重新调校全反光镜⑥和全反光镜⑤，直至到达上述要求。如果全反光镜⑤⑥调校正确，可撤离设在直角棱镜小车A上的接收点，使反光镜进入直角棱镜的光经直角棱镜A两次折射后，反射到全反光镜⑦中心上。直角棱镜A处于正确的几何位置时，反射光线必然与导轨A严格平行，即棱镜A沿导轨A移动全过程，反射在全反光镜⑦上的点始终不变，否则应调校直角棱镜A。若水平方向出现偏移，可转动直角棱镜（此项已在出厂前严格调校，学生不宜调整）,若沿垂方向出现偏移，可转动棱镜俯仰螺杆，反复调校达到上述要求。直角棱镜几何位置是否正确，也可观察光点进行判断。

直角棱镜的入射与出射光光轴中心距离名义值为24mm，可旋转直角棱镜B上的横向移动手轮，直至达到理想光轴位置。

测量时，在棱镜沿导轨移动过程中，若光点发生偏移，可用横向移动手轮和俯仰手轮调整至正确位置（示波器恢复理想的正弦波）

松开两个止动螺钉，全反光镜可任意转动；初调时一般使反射光反射到下一个全反射镜中心后旋转止动螺钉止动，再旋转俯仰螺母使反射光仍保持62.5mm高度，反复调校至理想状态。止动螺钉已在出厂前严格调校，学生不宜调整

3只垂直面调节螺母 止动螺钉 全反光镜③④的结构

俯仰调校螺母 其调节方法与全反光镜②⑤⑧类似，但不宜让学生调节 其调节方法与全反光镜②⑤⑧类似，但不宜让学生调节 止动螺钉 末次半透半反镜的结构及调节

最后建议，在需要调节平面全反光镜的时候，应尽量优先考虑内（近）光路的调节。只有当内（近）光路的调节掌握熟练后，才宜进行难度更高的外（远）光路的调节训练。