溶液中溶質(zhì)濃度及種類對(duì)超聲聲速的影響

陳余行

摘? 要：對(duì)氯化鈉、葡萄糖以及兩者混合溶液在超聲光柵中形成的光柵光譜進(jìn)行了測(cè)量， 并運(yùn)用線性回歸方法詳細(xì)研究了超聲波聲速與溶液濃度及溶質(zhì)種類的關(guān)系，結(jié)果顯示3種溶液中聲速與濃度均為線性關(guān)系，且混合溶液中的聲速變化為另外兩種溶液中聲速變化之和。

關(guān)鍵詞：超聲光柵? 超聲波聲速? 溶液濃度? 線性關(guān)系

中圖分類號(hào)：O426 ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2020）01（b）-0070-02

超聲波在介質(zhì)中傳播的速度與介質(zhì)的彈性有關(guān)，因此介質(zhì)的比重、濃度及溫度等物理量的變化對(duì)超聲聲速會(huì)有明顯的影響[1]，因此通過測(cè)量超聲波波速可以檢測(cè)介質(zhì)的一些物理性質(zhì)。雖然超聲檢測(cè)技術(shù)已成功地應(yīng)用于工業(yè)在線檢測(cè)一些混合液液體濃度，并且達(dá)到了很高的精度，但到目前為止該方法一直未能得到大面積的推廣使用，其主要原因是聲速與不同溶質(zhì)的關(guān)系不盡相同，導(dǎo)致可操作性降低。

該實(shí)驗(yàn)采用WSG-I型超聲光柵聲速儀觀察測(cè)量不同溶液中超聲光柵的衍射光譜，由此計(jì)算得到超聲波在不同溶液中的傳播速度，并運(yùn)用線性回歸方法詳細(xì)研究了超聲聲速與溶液濃度及溶質(zhì)種類的關(guān)系。

1? 實(shí)驗(yàn)原理

當(dāng)一束平面超聲波在液體中傳播時(shí)，其聲壓會(huì)使液體的局部會(huì)產(chǎn)生周期性膨脹與壓縮，從而使液體的密度在波傳播方向上形成周期性分布，從而導(dǎo)致液體的折射率也做同樣分布，形成了所謂疏密波。同時(shí)當(dāng)超聲波在傳播時(shí)，被液體邊緣的槽面反射產(chǎn)生反射波，一定條件下，前進(jìn)波與反射波疊加會(huì)形成超聲駐波，這樣就加劇了波源與反射面之間液體的疏密化程度。此時(shí)，裝置中的液體就等效為液體光柵，稱為超聲光柵。

此時(shí)，當(dāng)一束平行光沿垂直于超聲波傳播方向通過超聲光柵時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)和平行光通過透射光柵的情形類似的衍射現(xiàn)象，該現(xiàn)象稱為超聲致光衍射。

由光柵方程推導(dǎo)可知，超聲波在液體中的傳播速度：

式中，λ為入射光的波長(zhǎng);f為透鏡的焦距;γ為振蕩器和鋯鈦酸鉛陶瓷片的共振頻率;△LK為相鄰兩條衍射條紋之間的距離。

2? 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及數(shù)據(jù)處理及分析

2.1 實(shí)驗(yàn)儀器

WSG-1型超聲光柵聲速儀（信號(hào)源、液體槽、鋯鈦酸鉛陶瓷片）、JJY型分光計(jì)、低壓汞燈、測(cè)微目鏡、燒杯、攪拌棒、葡萄糖、氯化鈉、電子秤。

2.2 測(cè)量結(jié)果

實(shí)驗(yàn)時(shí)，共振頻率γ=11.24MHz，透鏡焦距f=170mm，用汞燈光中的綠光（λ=546.07mm）測(cè)量了超聲波在不同的溶液濃度的氯化鈉溶液和葡萄糖糖溶液中傳播時(shí)形成的超聲光柵的衍射譜。實(shí)驗(yàn)中溫度T=285K。表1為單一溶質(zhì)溶液中超聲聲速的測(cè)量結(jié)果。

表2為兩種溶質(zhì)同濃度混合溶液中的超聲聲速測(cè)量結(jié)果，表中濃度為任一種溶質(zhì)的濃度。

2.3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

（1）在兩種溶液中超聲波的波速都隨溶液濃度增加而單調(diào)遞增，并且均表現(xiàn)出良好的線性關(guān)系，在氯化鈉溶液中，波速與溶液濃度關(guān)系為：y=1888.27x+1316.58，在葡萄糖溶液中，波速與溶液濃度關(guān)系為：y=264.17x+1351.45。

（2）在較小的濃度范圍內(nèi)，溶液濃度每升高0.01g/mL，超聲波在氯化鈉溶液中的波速提高18.88m/s，在葡萄糖溶液中提高2.64m/s，氯化鈉溶液濃度的改變對(duì)波速的影響更加明顯，這是因?yàn)槁然c溶液中離子的濃度增加要比葡萄糖溶液中大。

（3）在較小濃度范圍內(nèi)，溶液濃度每升高0.01g/mL，超聲波在混合溶液中的波速提高21.30m/s，波速與溶液濃度關(guān)系為：y=2130.34x+1354.92。由此我們初步可以得出：在考慮到誤差的情況下，超聲波在混合溶液中的聲速增加量大致等于超聲波在氯化鈉溶液中的聲速增加量及在葡萄糖溶液中聲速增加量之和。

由文獻(xiàn)[2-3]可知，在電解質(zhì)溶液（如氯化鈉溶液）中，隨著溶液濃度的增大，溶液中離子濃度會(huì)線性增多。而在非電解質(zhì)溶液（如葡萄糖溶液）中，葡萄糖殘基是通過氧原子連結(jié)起來的，它可以和溶液中帶正電的氫離子結(jié)合，進(jìn)而使氧原子連接的兩部分分離。這就導(dǎo)致在提高相同濃度的情況下，葡萄糖溶液中分子或離子的濃度增幅較小，而對(duì)于在溶液中傳播的超聲波來說，分子或離子的濃度是決定超聲波傳播速度的主要因素，因此電解質(zhì)溶液濃度對(duì)超聲波波速的影響更加明顯。

當(dāng)電解質(zhì)溶液和非電解質(zhì)溶液混合時(shí)，混合溶液中的聲速增加量等于在電解質(zhì)溶液中的聲速增加量及在非電解質(zhì)溶液中聲速增加量之和。因此，若要計(jì)算混合溶液中的聲速變化，只需分別計(jì)算出單溶質(zhì)溶液中的聲速變化，即可求和得到混合溶液中聲速的變化。

3? 結(jié)語(yǔ)

實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果及分析表明，一定溫度下，在較小濃度下兩種溶質(zhì)溶液中聲速隨溶液濃度的增加單調(diào)遞增，同濃度的混合溶質(zhì)溶液在較小濃度范圍內(nèi)聲速也隨溶液濃度的增加單調(diào)遞增，且混合溶液中聲速增加速度為兩種溶質(zhì)溶液中聲速增加速度之和。線性擬合結(jié)果表明，3種溶液中聲速相對(duì)濃度的線性相關(guān)性都很高，確保了實(shí)驗(yàn)結(jié)論的可靠性。

參考文獻(xiàn)

[1] 陳曉莉，王培吉.用超聲光柵測(cè)液體中聲速的理論與實(shí)驗(yàn)研究[J].西南師范大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2007，32（6）：135-138.

[2] 胥新，崔莎莎，郭芳芳，等.非電解質(zhì)和電解質(zhì)溶液中的超聲光柵衍射效應(yīng)[J].物理實(shí)驗(yàn)，2012，32（11）：7-12.

[3] 楊燕婷，王敏，周瑩，等.超聲光柵測(cè)量溶液中超聲聲速與濃度關(guān)系研究[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2011，28（7）：32-35.