超声光栅测量液体中声速的改进

叶文江, 李儒颂, 邢红玉, 孙艳梅

(1. 河北工业大学 理学院，天津 300401；2. 正定县第八中学，河北 石家庄 050800)



超声光栅测量液体中声速的改进

叶文江1, 李儒颂1, 邢红玉1, 孙艳梅2

(1. 河北工业大学 理学院，天津 300401；2. 正定县第八中学，河北 石家庄 050800)

利用超声光栅测量液体中的声速实验中，由于光波通过超声光栅产生的衍射条纹数量较少，不能很好地进行多级衍射条纹间距的测量，而且无法测量具有腐蚀性的液体。为此，在超声槽及增加超声波功率等方面，进行了一些实验方法和仪器的改进设计与制作，主要是给超声波传感器(压电陶瓷片)增加了一个功率放大器，并将超声槽全部用玻璃制作，便于产生更多级衍射条纹，然后将超声传感器用耦合剂紧贴在全玻璃矩形超声槽外侧，再将全玻璃超声槽与控温系统相连接，控温系统是在传统的蒸汽喷射加热仪的基础上，组合黏滞系数实验部分仪器和温度传感器而做成的。结果表明，改进后的实验装置不仅拓展了实验中所用液体的范围，而且可方便研究声速与被测液体的浓度及温度的关系。利用CCD测量技术实现超声波速度的自动化测量，以减少测量误差。

超声光栅； 超声传感器； 功率放大器； 全玻璃超声槽； CCD

0 引 言

超声波指的是频率高于音频的机械波，通常是以弹性纵波的形式在介质中传播，其频率在20 kHz以上，一般可达100 MHz。超声波仍遵循声学规律，由于声速与物质的物理属性密切相关，故在检测计量中，许多被测量量都可直接或间接地转化为声速的测量，例如：温度和能量传输系数[1-2]、绝热压缩系数、比热[3]等。因此，精确地测量声速具有非常重要的现实意义，同时也是大学物理实验中的重要内容。

目前，超声光栅除了被用来测量液体中声速外，还被广泛用于科学研究和检测技术等很多领域。例如：利用超声光栅测透明液体的浓度[4-5]；测量液体体积弹性模量[6-7]，研究声速与溶液浓度和温度的关系[8-9]和用于研究水质净化[10]等等。而近年来对用超声光栅测量液体中声速实验改进[11]研究的却相对较少，通过学习和研究用超声光栅测量液体声速实验[12-14]，体会并发现这种利用超声光栅测量液体中声速的部分实验器件和实验方法，还有需要改进的地方。例如，一些仪器的超声槽及超声传感器[15-17]，由于长时间使用，造成老化，光波通过超声光栅时产生的衍射条纹数量，有时变得很少，只有3条左右，影响正常进行多级衍射条纹间距的测量，若勉强测量有限的一两级衍射条纹，结果误差也较大；另外，所用的超声槽透光窗口较小，通过的衍射条纹受一定限制，也不便于观察测量；在测量中使用读数显微镜，观测多级衍射条纹间距，也很费眼力。为此，本研究在超声槽及增加超声波功率等方面，进行了一些仪器和实验方法的改进设计，为了避免了人为因素所造成的误差，再利用CCD测量技术实现了超声波速度的自动化测量。

1 实验仪器和原理

1.1 超声波产生与超声光栅形成原理

目前，实验室用超声光栅测量液体实验装置如图1所示。图2是光路图，其中主要用到的仪器有光源(He-Ne激光器)、狭缝、透镜、超声槽和超声传感器、屏幕等。

图1 超声腔结构示意图

L-激光器，P-狭缝，O-透镜，G-超声槽及超声传感器，S-屏

图2 实验光路示意图

利用压电体(超声传感器)的逆压电效应发生机械振动产生超声波。压电体在交变电场的作用下发生周期性的压缩、伸长，当外加交变电场的频率与压电体的固有频率相同时，振幅最大，这种振动在媒质中传播就得到超声波。

超声波以纵波的形式在液体中传播时，前进超声波到达反射器表面将被反射而沿反方向传播。在一定条件下，前进波与反射波叠加而形成驻波(纵驻波)。波腹处两波振幅同相而加强；波节处两波振幅反相而抵消。波前进路径上的液体被周期性地压缩与膨胀，其密度会产生周期性地变化，形成所谓疏密波。稀疏作用会使液体密度减小、折射率减小；压缩作用会使液体密度增大、折射率增大。因此，液体密度的周期变化导致其折射率也呈周期变化。若超声行波以平面波的形式沿x轴正方向传播时，波动方程可描述为

(1)

式中：y代表各质点沿x方向偏离平衡位置的位移；Am表示质点的最大位移量；T为超声波的周期；Λ为超声波的波长。在距离等于超声波波长Λ的两点，液体的密度相同，因而两点的折射率也相等。

因为液体中各点的折射率以正弦规律变化，所以，光在通过各种疏密相同的液体时，空间各点的光速也以正弦规律变化。如果入射光的波阵面是平面，那么出射光的波阵面将成为以正弦规律变化的曲面。要是将这些出射光聚焦，将会出现干涉条纹，此现象与光线通过刻痕式的平面光栅的情形很相似。这种由超声波在液体中传播时所产生的光栅作用，是由超声驻波在液体中传播使液体密度发生变化形成液体光栅造成的，这种光栅称为“超声光栅”。该超声光栅的光栅常数，即为两相邻的稠密部分(或稀疏部分)之间的距离。可见，这一距离就是超声波的波长Λ。

1.2 超声波在液体中的传播速度

由光学理论可知，一波长为λ的平行光通过常数为(a+b)的光栅，其k级亮条纹的衍射角φk满足：

(2)

对于超声光栅，由于光栅常数等于超声的波长Λ，因此可以写成

(3)

显然，如果已知光波波长λ，通过测量衍射角φk，即可求出超声波的波长λ。±k级条纹间距为D±k，因为φk较小，所以，sinφk=D±k/2A。其中，A为超声玻璃槽中心道屏之间的距离。如果已知超声振动频率f，就能够确定超声波在液体中的传播速度v

(4)

2 改进设计制作思路与实物制作

2.1 改进设计与制作思路

为达到良好的实验效果，做了如下改进与制作：

(1) 为了解决所用的超声槽透光窗口较小，通过的衍射条纹受一定限制的问题，在屏幕上观察和测量到更多的衍射条纹，如图2所示，设计制作用全玻璃制成的矩形超声槽代替原来只有较小透光孔的超声槽，并依靠与传感器平面相平行的玻璃面作为反射器，省去了原有的反射器。

(2) 在用超声光栅测量液体中声速实验时，尽管压电陶瓷片表面涂有非常薄的电极涂层，由于压电陶瓷片是直接与被测液体相接触的，导致无法测量具有腐蚀性较强的液体，限制了被测量液体的使用范围。即使是用水、酒精等液体，由于长期使用，也会造成一些仪器的超声槽及其超声传感器(压电陶瓷)的老化。此外，必须保证超声传感器表面与全玻璃超声槽容器对应面平行，这样才可以形成较好的表面驻波，而悬架装置自身的倾斜会给调节带来难度。为了改进这些不良因素，一方面，考虑为超声波传感器适当增加发射功率，为此本文设计了一个功率放大电路，制作了一个超声功率放大器；另一个方面，将压电陶瓷片通过耦合剂把它紧贴在全玻璃超声槽容器外面。值得注意的是，应该加入黏稠且不腐蚀压电陶瓷片的物质作为耦合剂，以排除压电陶瓷片与玻璃超声槽之间的空气。

(3) 为了方便观察和测量衍射条纹，降低仪器成本，节省眼力，采用CCD系统测量条纹间距，用51单片机控制和采集分析数据，最后由液晶显示器显示结果，这样不仅提高了精度、而且能大大提高测量速度，实现了自动化测量。

(4) 为了实现变温超声光栅，进而能够研究声速和温度的关系，将超声腔(全玻璃超声槽容器)与温度控制系统相结合。为减小超声腔的温度梯度，采用pH-IV型变温黏滞系数实验仪(水泵部分)作为水浴加热和控温的热源[18]，可达到很好的控温效果。将全玻璃超声槽设计为长方体，顶部设计制一个保温盖，而且除右侧面为单层玻璃外，其他各面均由两层玻璃构成，内侧玻璃可以做得很薄，以便可以良好地传递热量。右侧面玻璃设计为单面的原因是右侧面要贴超声传感器(压电陶瓷)，避免其在水中老化等。两玻璃层中间留适当的空隙，在全玻璃超声槽容器左侧外玻璃层上方和右侧外层玻璃下方各打一个小孔，两小孔分别与水浴控温装置的水循环进出管相连接，这样水会充满整个两玻璃层的空间，达到均匀加热目的。在上盖打一个小孔，测量温度时可以将数显温度计插进去，直接读出超声腔中液体的温度。

2.2 实验装置的改进设计与实物制作

根据上述设计制作思路进行了部分仪器配件的改进设计与制作。其中，超声波传感器功率放大器电路实物如图3所示，其电源电压是直流24 V，功率15 W；改进设计后的整体装置如图4所示。

图3 超声波功率放大器实物

图4 整体装置结构示意图

3 实验效果

实验内容与步骤没有实质变化，这里不再赘述。需要注意的是：在实验过程中，对超声波功率放大电路的使用。将放大电路的输出端连接超声槽中的超声波传感器，接通电源后，根据衍射条纹情况，适当调节电位器功率大小，直到出现的衍射条纹符合测量要求即可。同一超声槽改进前后的衍射条纹如图5所示。

4 结 论

本研究提出了超声光栅测量液体中声速的新的改进方案，其中优点有：

(1)制作用全玻璃制成的矩形透明超声槽，代替原来只有较小透光孔的超声槽，省去原有的反射器，用玻璃面代替原有的反射器，解决了原超声槽透光窗口较小，通过的衍射条纹受一定限制的问题，可在屏幕上观测到更多的衍射条纹。

(a)改进前(b)改进后

图5 同一超声槽改进前后的衍射条纹

(2)设计制作了一个超声波功率放大电路用于全玻璃超声槽的超声传感器，一方面，可以补偿将超声传感器(压电陶瓷)贴在全玻璃超声槽容器外而造成的部分损失；另一方面，解决了由于器件老化、腐蚀等原因造成的衍射条纹级数太少问题，使光波通过超声光栅时产生的衍射条纹级数可明显增加。

(3)相比较机械夹紧状态而言，处于机械自由状态下的压电陶瓷片的机械输出效率更高，所得到的纵波振幅更大，衍射的效果更明显。由于压电陶瓷片表面与对应面的玻璃槽壁表面必须平行，才会形成较好的表面驻波，而悬架装置自身的倾斜将会给调节增加难度，改进后的装置利用玻璃外壳对应面近似平行的特点较好的解决了这一问题，使调节的难度大大降低。

(4)将超声传感器紧贴在超声全玻璃槽容器外侧，一方面将超声传感器(电陶瓷片)和液体隔离，避免了腐蚀性液体对超声传感器表面电极涂层的腐蚀，节约了实验成本；另一面，拓展了用超声光栅测量液体声速实验中所用的液体范围。

(5)因将全玻璃超声槽容器与控温系统相连接，方便探究声速和温度的关系。

(6)利用CCD测量技术实现了超声波速度的自动化测量，有效降低人为因素造成的错误，提高了超声波速度的测量精度。

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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

河北省高等教育教学改革研究项目(2012GJJG164)；河北工业大学教育教学改革研究项目(201303002)资助

叶文江(1976-)，男，河北石家庄人，副教授，现主要从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

邢红玉(1978-)，女，河北石家庄人，副教授，现主要从事大学物理实验的教学研究。

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

O 4-34

A

1006-7167(2015)11-0026-04