超聲光柵測量液體中聲速的改進

葉文江, 李儒頌, 邢紅玉, 孫艷梅

(1. 河北工業(yè)大學 理學院，天津 300401；2. 正定縣第八中學，河北 石家莊 050800)

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超聲光柵測量液體中聲速的改進

葉文江1, 李儒頌1, 邢紅玉1, 孫艷梅2

(1. 河北工業(yè)大學 理學院，天津 300401；2. 正定縣第八中學，河北 石家莊 050800)

利用超聲光柵測量液體中的聲速實驗中，由于光波通過超聲光柵產生的衍射條紋數量較少，不能很好地進行多級衍射條紋間距的測量，而且無法測量具有腐蝕性的液體。為此，在超聲槽及增加超聲波功率等方面，進行了一些實驗方法和儀器的改進設計與制作，主要是給超聲波傳感器(壓電陶瓷片)增加了一個功率放大器，并將超聲槽全部用玻璃制作，便于產生更多級衍射條紋，然后將超聲傳感器用耦合劑緊貼在全玻璃矩形超聲槽外側，再將全玻璃超聲槽與控溫系統(tǒng)相連接，控溫系統(tǒng)是在傳統(tǒng)的蒸汽噴射加熱儀的基礎上，組合黏滯系數實驗部分儀器和溫度傳感器而做成的。結果表明，改進后的實驗裝置不僅拓展了實驗中所用液體的范圍，而且可方便研究聲速與被測液體的濃度及溫度的關系。利用CCD測量技術實現超聲波速度的自動化測量，以減少測量誤差。

超聲光柵； 超聲傳感器； 功率放大器； 全玻璃超聲槽； CCD

0 引 言

超聲波指的是頻率高于音頻的機械波，通常是以彈性縱波的形式在介質中傳播，其頻率在20 kHz以上，一般可達100 MHz。超聲波仍遵循聲學規(guī)律，由于聲速與物質的物理屬性密切相關，故在檢測計量中，許多被測量量都可直接或間接地轉化為聲速的測量，例如：溫度和能量傳輸系數[1-2]、絕熱壓縮系數、比熱[3]等。因此，精確地測量聲速具有非常重要的現實意義，同時也是大學物理實驗中的重要內容。

目前，超聲光柵除了被用來測量液體中聲速外，還被廣泛用于科學研究和檢測技術等很多領域。例如：利用超聲光柵測透明液體的濃度[4-5]；測量液體體積彈性模量[6-7]，研究聲速與溶液濃度和溫度的關系[8-9]和用于研究水質凈化[10]等等。而近年來對用超聲光柵測量液體中聲速實驗改進[11]研究的卻相對較少，通過學習和研究用超聲光柵測量液體聲速實驗[12-14]，體會并發(fā)現這種利用超聲光柵測量液體中聲速的部分實驗器件和實驗方法，還有需要改進的地方。例如，一些儀器的超聲槽及超聲傳感器[15-17]，由于長時間使用，造成老化，光波通過超聲光柵時產生的衍射條紋數量，有時變得很少，只有3條左右，影響正常進行多級衍射條紋間距的測量，若勉強測量有限的一兩級衍射條紋，結果誤差也較大；另外，所用的超聲槽透光窗口較小，通過的衍射條紋受一定限制，也不便于觀察測量；在測量中使用讀數顯微鏡，觀測多級衍射條紋間距，也很費眼力。為此，本研究在超聲槽及增加超聲波功率等方面，進行了一些儀器和實驗方法的改進設計，為了避免了人為因素所造成的誤差，再利用CCD測量技術實現了超聲波速度的自動化測量。

1 實驗儀器和原理

1.1 超聲波產生與超聲光柵形成原理

目前，實驗室用超聲光柵測量液體實驗裝置如圖1所示。圖2是光路圖，其中主要用到的儀器有光源(He-Ne激光器)、狹縫、透鏡、超聲槽和超聲傳感器、屏幕等。

圖1 超聲腔結構示意圖

L-激光器，P-狹縫，O-透鏡，G-超聲槽及超聲傳感器，S-屏

圖2 實驗光路示意圖

利用壓電體(超聲傳感器)的逆壓電效應發(fā)生機械振動產生超聲波。壓電體在交變電場的作用下發(fā)生周期性的壓縮、伸長，當外加交變電場的頻率與壓電體的固有頻率相同時，振幅最大，這種振動在媒質中傳播就得到超聲波。

超聲波以縱波的形式在液體中傳播時，前進超聲波到達反射器表面將被反射而沿反方向傳播。在一定條件下，前進波與反射波疊加而形成駐波(縱駐波)。波腹處兩波振幅同相而加強；波節(jié)處兩波振幅反相而抵消。波前進路徑上的液體被周期性地壓縮與膨脹，其密度會產生周期性地變化，形成所謂疏密波。稀疏作用會使液體密度減小、折射率減小；壓縮作用會使液體密度增大、折射率增大。因此，液體密度的周期變化導致其折射率也呈周期變化。若超聲行波以平面波的形式沿x軸正方向傳播時，波動方程可描述為

(1)

式中：y代表各質點沿x方向偏離平衡位置的位移；Am表示質點的最大位移量；T為超聲波的周期；Λ為超聲波的波長。在距離等于超聲波波長Λ的兩點，液體的密度相同，因而兩點的折射率也相等。

因為液體中各點的折射率以正弦規(guī)律變化，所以，光在通過各種疏密相同的液體時，空間各點的光速也以正弦規(guī)律變化。如果入射光的波陣面是平面，那么出射光的波陣面將成為以正弦規(guī)律變化的曲面。要是將這些出射光聚焦，將會出現干涉條紋，此現象與光線通過刻痕式的平面光柵的情形很相似。這種由超聲波在液體中傳播時所產生的光柵作用，是由超聲駐波在液體中傳播使液體密度發(fā)生變化形成液體光柵造成的，這種光柵稱為“超聲光柵”。該超聲光柵的光柵常數，即為兩相鄰的稠密部分(或稀疏部分)之間的距離。可見，這一距離就是超聲波的波長Λ。

1.2 超聲波在液體中的傳播速度

由光學理論可知，一波長為λ的平行光通過常數為(a+b)的光柵，其k級亮條紋的衍射角φk滿足：

(2)

對于超聲光柵，由于光柵常數等于超聲的波長Λ，因此可以寫成

(3)

顯然，如果已知光波波長λ，通過測量衍射角φk，即可求出超聲波的波長λ。±k級條紋間距為D±k，因為φk較小，所以，sinφk=D±k/2A。其中，A為超聲玻璃槽中心道屏之間的距離。如果已知超聲振動頻率f，就能夠確定超聲波在液體中的傳播速度v

(4)

2 改進設計制作思路與實物制作

2.1 改進設計與制作思路

為達到良好的實驗效果，做了如下改進與制作：

(1) 為了解決所用的超聲槽透光窗口較小，通過的衍射條紋受一定限制的問題，在屏幕上觀察和測量到更多的衍射條紋，如圖2所示，設計制作用全玻璃制成的矩形超聲槽代替原來只有較小透光孔的超聲槽，并依靠與傳感器平面相平行的玻璃面作為反射器，省去了原有的反射器。

(2) 在用超聲光柵測量液體中聲速實驗時，盡管壓電陶瓷片表面涂有非常薄的電極涂層，由于壓電陶瓷片是直接與被測液體相接觸的，導致無法測量具有腐蝕性較強的液體，限制了被測量液體的使用范圍。即使是用水、酒精等液體，由于長期使用，也會造成一些儀器的超聲槽及其超聲傳感器(壓電陶瓷)的老化。此外，必須保證超聲傳感器表面與全玻璃超聲槽容器對應面平行，這樣才可以形成較好的表面駐波，而懸架裝置自身的傾斜會給調節(jié)帶來難度。為了改進這些不良因素，一方面，考慮為超聲波傳感器適當增加發(fā)射功率，為此本文設計了一個功率放大電路，制作了一個超聲功率放大器；另一個方面，將壓電陶瓷片通過耦合劑把它緊貼在全玻璃超聲槽容器外面。值得注意的是，應該加入黏稠且不腐蝕壓電陶瓷片的物質作為耦合劑，以排除壓電陶瓷片與玻璃超聲槽之間的空氣。

(3) 為了方便觀察和測量衍射條紋，降低儀器成本，節(jié)省眼力，采用CCD系統(tǒng)測量條紋間距，用51單片機控制和采集分析數據，最后由液晶顯示器顯示結果，這樣不僅提高了精度、而且能大大提高測量速度，實現了自動化測量。

(4) 為了實現變溫超聲光柵，進而能夠研究聲速和溫度的關系，將超聲腔(全玻璃超聲槽容器)與溫度控制系統(tǒng)相結合。為減小超聲腔的溫度梯度，采用pH-IV型變溫黏滯系數實驗儀(水泵部分)作為水浴加熱和控溫的熱源[18]，可達到很好的控溫效果。將全玻璃超聲槽設計為長方體，頂部設計制一個保溫蓋，而且除右側面為單層玻璃外，其他各面均由兩層玻璃構成，內側玻璃可以做得很薄，以便可以良好地傳遞熱量。右側面玻璃設計為單面的原因是右側面要貼超聲傳感器(壓電陶瓷)，避免其在水中老化等。兩玻璃層中間留適當的空隙，在全玻璃超聲槽容器左側外玻璃層上方和右側外層玻璃下方各打一個小孔，兩小孔分別與水浴控溫裝置的水循環(huán)進出管相連接，這樣水會充滿整個兩玻璃層的空間，達到均勻加熱目的。在上蓋打一個小孔，測量溫度時可以將數顯溫度計插進去，直接讀出超聲腔中液體的溫度。

2.2 實驗裝置的改進設計與實物制作

根據上述設計制作思路進行了部分儀器配件的改進設計與制作。其中，超聲波傳感器功率放大器電路實物如圖3所示，其電源電壓是直流24 V，功率15 W；改進設計后的整體裝置如圖4所示。

圖3 超聲波功率放大器實物

圖4 整體裝置結構示意圖

3 實驗效果

實驗內容與步驟沒有實質變化，這里不再贅述。需要注意的是：在實驗過程中，對超聲波功率放大電路的使用。將放大電路的輸出端連接超聲槽中的超聲波傳感器，接通電源后，根據衍射條紋情況，適當調節(jié)電位器功率大小，直到出現的衍射條紋符合測量要求即可。同一超聲槽改進前后的衍射條紋如圖5所示。

4 結 論

本研究提出了超聲光柵測量液體中聲速的新的改進方案，其中優(yōu)點有：

(1)制作用全玻璃制成的矩形透明超聲槽，代替原來只有較小透光孔的超聲槽，省去原有的反射器，用玻璃面代替原有的反射器，解決了原超聲槽透光窗口較小，通過的衍射條紋受一定限制的問題，可在屏幕上觀測到更多的衍射條紋。

(a)改進前(b)改進后

圖5 同一超聲槽改進前后的衍射條紋

(2)設計制作了一個超聲波功率放大電路用于全玻璃超聲槽的超聲傳感器，一方面，可以補償將超聲傳感器(壓電陶瓷)貼在全玻璃超聲槽容器外而造成的部分損失；另一方面，解決了由于器件老化、腐蝕等原因造成的衍射條紋級數太少問題，使光波通過超聲光柵時產生的衍射條紋級數可明顯增加。

(3)相比較機械夾緊狀態(tài)而言，處于機械自由狀態(tài)下的壓電陶瓷片的機械輸出效率更高，所得到的縱波振幅更大，衍射的效果更明顯。由于壓電陶瓷片表面與對應面的玻璃槽壁表面必須平行，才會形成較好的表面駐波，而懸架裝置自身的傾斜將會給調節(jié)增加難度，改進后的裝置利用玻璃外殼對應面近似平行的特點較好的解決了這一問題，使調節(jié)的難度大大降低。

(4)將超聲傳感器緊貼在超聲全玻璃槽容器外側，一方面將超聲傳感器(電陶瓷片)和液體隔離，避免了腐蝕性液體對超聲傳感器表面電極涂層的腐蝕，節(jié)約了實驗成本；另一面，拓展了用超聲光柵測量液體聲速實驗中所用的液體范圍。

(5)因將全玻璃超聲槽容器與控溫系統(tǒng)相連接，方便探究聲速和溫度的關系。

(6)利用CCD測量技術實現了超聲波速度的自動化測量，有效降低人為因素造成的錯誤，提高了超聲波速度的測量精度。

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Improvement of the Sound Velocity Measurement in Liquid Based on Ultrasonic Grating

YEWen-jiang1,LIRu-song1,XINGHong-yu1,SUNYan-mei2

(1. School of Sciences, Hebei University of Technology, Tianjin 300401, China;2. Zhengding No. 8 Middle School, Shijiazhuang 050800, China)

In the experiment, ultrasonic grating is often used to measure sound velocity in liquid. Because the number of generated diffraction stripes is small when light wave goes through the ultrasonic grating, the distance measurement the of multistage diffraction stripes cannot been done well done, and also the corrosive liquid cannot been measured. Therefore, some experimental methods and improvement of the instrument design and production are presented The main improvement is to increase a power amplifier to the ultrasonic sensor (piezoelectric ceramic piece) and the ultrasonic bath is made of glass to produce more multistage diffraction fringes. The ultrasonic sensor are gluved outside the glass rectangular ultrasound grooves with coupling agent. All glass ultrasonic grooves and temperature control system is connected to make up of the part instruments to measure viscous coefficient and the temperature sensor on the basis of the traditional steam jet heat meter. The experimental results show that the improved experiment device can not only expand the range of the liquid used in the experiments, but also conveniently study the relationship between velocity and liquid concentration and temperature. Finally, using CCD measuring technology can realize the measurement of ultrasonic velocity automatically, which is in order to reduce the measurement error.

ultrasonic grating; ultrasonic sensor; power amplifier; all glass ultrasonic groove; CCD

2015-01-08

河北省高等教育教學改革研究項目(2012GJJG164)；河北工業(yè)大學教育教學改革研究項目(201303002)資助

葉文江(1976-)，男，河北石家莊人，副教授，現主要從事液晶物理及液晶器件物理方面的研究。

Tel.: 022-60435638；E-mail: wenjiang_ye@hebut.edu.cn

邢紅玉(1978-)，女，河北石家莊人，副教授，現主要從事大學物理實驗的教學研究。

Tel.: 022-60435638；E-mail: hongyu_xing@163.com

O 4-34

A

1006-7167(2015)11-0026-04