葉文江, 李儒頌, 邢紅玉, 孫艷梅

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

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超聲光柵測(cè)量液體中聲速的改進(jìn)

葉文江1, 李儒頌1, 邢紅玉1, 孫艷梅2

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

利用超聲光柵測(cè)量液體中的聲速實(shí)驗(yàn)中，由于光波通過(guò)超聲光柵產(chǎn)生的衍射條紋數(shù)量較少，不能很好地進(jìn)行多級(jí)衍射條紋間距的測(cè)量，而且無(wú)法測(cè)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(jìn)行了一些實(shí)驗(yàn)方法和儀器的改進(jìn)設(shè)計(jì)與制作，主要是給超聲波傳感器(壓電陶瓷片)增加了一個(gè)功率放大器，并將超聲槽全部用玻璃制作，便于產(chǎn)生更多級(jí)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(cè)，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(chǔ)上，組合黏滯系數(shù)實(shí)驗(yàn)部分儀器和溫度傳感器而做成的。結(jié)果表明，改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)裝置不僅拓展了實(shí)驗(yàn)中所用液體的范圍，而且可方便研究聲速與被測(cè)液體的濃度及溫度的關(guān)系。利用CCD測(cè)量技術(shù)實(shí)現(xiàn)超聲波速度的自動(dòng)化測(cè)量，以減少測(cè)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(jī)械波，通常是以彈性縱波的形式在介質(zhì)中傳播，其頻率在20 kHz以上，一般可達(dá)100 MHz。超聲波仍遵循聲學(xué)規(guī)律，由于聲速與物質(zhì)的物理屬性密切相關(guān)，故在檢測(cè)計(jì)量中，許多被測(cè)量量都可直接或間接地轉(zhuǎn)化為聲速的測(cè)量，例如：溫度和能量傳輸系數(shù)[1-2]、絕熱壓縮系數(shù)、比熱[3]等。因此，精確地測(cè)量聲速具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義，同時(shí)也是大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中的重要內(nèi)容。

目前，超聲光柵除了被用來(lái)測(cè)量液體中聲速外，還被廣泛用于科學(xué)研究和檢測(cè)技術(shù)等很多領(lǐng)域。例如：利用超聲光柵測(cè)透明液體的濃度[4-5]；測(cè)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(guān)系[8-9]和用于研究水質(zhì)凈化[10]等等。而近年來(lái)對(duì)用超聲光柵測(cè)量液體中聲速實(shí)驗(yàn)改進(jìn)[11]研究的卻相對(duì)較少，通過(guò)學(xué)習(xí)和研究用超聲光柵測(cè)量液體聲速實(shí)驗(yàn)[12-14]，體會(huì)并發(fā)現(xiàn)這種利用超聲光柵測(cè)量液體中聲速的部分實(shí)驗(yàn)器件和實(shí)驗(yàn)方法，還有需要改進(jìn)的地方。例如，一些儀器的超聲槽及超聲傳感器[15-17]，由于長(zhǎng)時(shí)間使用，造成老化，光波通過(guò)超聲光柵時(shí)產(chǎn)生的衍射條紋數(shù)量，有時(shí)變得很少，只有3條左右，影響正常進(jìn)行多級(jí)衍射條紋間距的測(cè)量，若勉強(qiáng)測(cè)量有限的一兩級(jí)衍射條紋，結(jié)果誤差也較大；另外，所用的超聲槽透光窗口較小，通過(guò)的衍射條紋受一定限制，也不便于觀察測(cè)量；在測(cè)量中使用讀數(shù)顯微鏡，觀測(cè)多級(jí)衍射條紋間距，也很費(fèi)眼力。為此，本研究在超聲槽及增加超聲波功率等方面，進(jìn)行了一些儀器和實(shí)驗(yàn)方法的改進(jìn)設(shè)計(jì)，為了避免了人為因素所造成的誤差，再利用CCD測(cè)量技術(shù)實(shí)現(xiàn)了超聲波速度的自動(dòng)化測(cè)量。

1 實(shí)驗(yàn)儀器和原理

1.1 超聲波產(chǎn)生與超聲光柵形成原理

目前，實(shí)驗(yàn)室用超聲光柵測(cè)量液體實(shí)驗(yàn)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(jié)構(gòu)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(shí)驗(yàn)光路示意圖

利用壓電體(超聲傳感器)的逆壓電效應(yīng)發(fā)生機(jī)械振動(dòng)產(chǎn)生超聲波。壓電體在交變電場(chǎng)的作用下發(fā)生周期性的壓縮、伸長(zhǎng)，當(dāng)外加交變電場(chǎng)的頻率與壓電體的固有頻率相同時(shí)，振幅最大，這種振動(dòng)在媒質(zhì)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(shí)，前進(jìn)超聲波到達(dá)反射器表面將被反射而沿反方向傳播。在一定條件下，前進(jìn)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(qiáng)；波節(jié)處兩波振幅反相而抵消。波前進(jìn)路徑上的液體被周期性地壓縮與膨脹，其密度會(huì)產(chǎn)生周期性地變化，形成所謂疏密波。稀疏作用會(huì)使液體密度減小、折射率減??；壓縮作用會(huì)使液體密度增大、折射率增大。因此，液體密度的周期變化導(dǎo)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(shí)，波動(dòng)方程可描述為

(1)

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

因?yàn)橐后w中各點(diǎn)的折射率以正弦規(guī)律變化，所以，光在通過(guò)各種疏密相同的液體時(shí)，空間各點(diǎn)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(huì)出現(xiàn)干涉條紋，此現(xiàn)象與光線通過(guò)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(shí)所產(chǎn)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(shù)，即為兩相鄰的稠密部分(或稀疏部分)之間的距離?？梢?jiàn)，這一距離就是超聲波的波長(zhǎng)Λ。

1.2 超聲波在液體中的傳播速度

由光學(xué)理論可知，一波長(zhǎng)為λ的平行光通過(guò)常數(shù)為(a+b)的光柵，其k級(jí)亮條紋的衍射角φk滿足：

(2)

對(duì)于超聲光柵，由于光柵常數(shù)等于超聲的波長(zhǎng)Λ，因此可以寫成

(3)

顯然，如果已知光波波長(zhǎng)λ，通過(guò)測(cè)量衍射角φk，即可求出超聲波的波長(zhǎng)λ?！纊級(jí)條紋間距為D±k，因?yàn)棣誯較小，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(dòng)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(jìn)設(shè)計(jì)制作思路與實(shí)物制作

2.1 改進(jìn)設(shè)計(jì)與制作思路

為達(dá)到良好的實(shí)驗(yàn)效果，做了如下改進(jìn)與制作：

(1) 為了解決所用的超聲槽透光窗口較小，通過(guò)的衍射條紋受一定限制的問(wèn)題，在屏幕上觀察和測(cè)量到更多的衍射條紋，如圖2所示，設(shè)計(jì)制作用全玻璃制成的矩形超聲槽代替原來(lái)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(cè)量液體中聲速實(shí)驗(yàn)時(shí)，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(cè)液體相接觸的，導(dǎo)致無(wú)法測(cè)量具有腐蝕性較強(qiáng)的液體，限制了被測(cè)量液體的使用范圍。即使是用水、酒精等液體，由于長(zhǎng)期使用，也會(huì)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(duì)應(yīng)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(huì)給調(diào)節(jié)帶來(lái)難度。為了改進(jìn)這些不良因素，一方面，考慮為超聲波傳感器適當(dāng)增加發(fā)射功率，為此本文設(shè)計(jì)了一個(gè)功率放大電路，制作了一個(gè)超聲功率放大器；另一個(gè)方面，將壓電陶瓷片通過(guò)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(yīng)該加入黏稠且不腐蝕壓電陶瓷片的物質(zhì)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(cè)量衍射條紋，降低儀器成本，節(jié)省眼力，采用CCD系統(tǒng)測(cè)量條紋間距，用51單片機(jī)控制和采集分析數(shù)據(jù)，最后由液晶顯示器顯示結(jié)果，這樣不僅提高了精度、而且能大大提高測(cè)量速度，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化測(cè)量。

(4) 為了實(shí)現(xiàn)變溫超聲光柵，進(jìn)而能夠研究聲速和溫度的關(guān)系，將超聲腔(全玻璃超聲槽容器)與溫度控制系統(tǒng)相結(jié)合。為減小超聲腔的溫度梯度，采用pH-IV型變溫黏滯系數(shù)實(shí)驗(yàn)儀(水泵部分)作為水浴加熱和控溫的熱源[18]，可達(dá)到很好的控溫效果。將全玻璃超聲槽設(shè)計(jì)為長(zhǎng)方體，頂部設(shè)計(jì)制一個(gè)保溫蓋，而且除右側(cè)面為單層玻璃外，其他各面均由兩層玻璃構(gòu)成，內(nèi)側(cè)玻璃可以做得很薄，以便可以良好地傳遞熱量。右側(cè)面玻璃設(shè)計(jì)為單面的原因是右側(cè)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(dāng)?shù)目障?，在全玻璃超聲槽容器左?cè)外玻璃層上方和右側(cè)外層玻璃下方各打一個(gè)小孔，兩小孔分別與水浴控溫裝置的水循環(huán)進(jìn)出管相連接，這樣水會(huì)充滿整個(gè)兩玻璃層的空間，達(dá)到均勻加熱目的。在上蓋打一個(gè)小孔，測(cè)量溫度時(shí)可以將數(shù)顯溫度計(jì)插進(jìn)去，直接讀出超聲腔中液體的溫度。

2.2 實(shí)驗(yàn)裝置的改進(jìn)設(shè)計(jì)與實(shí)物制作

根據(jù)上述設(shè)計(jì)制作思路進(jìn)行了部分儀器配件的改進(jìn)設(shè)計(jì)與制作。其中，超聲波傳感器功率放大器電路實(shí)物如圖3所示，其電源電壓是直流24 V，功率15 W；改進(jìn)設(shè)計(jì)后的整體裝置如圖4所示。

圖3 超聲波功率放大器實(shí)物

圖4 整體裝置結(jié)構(gòu)示意圖

3 實(shí)驗(yàn)效果

實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟沒(méi)有實(shí)質(zhì)變化，這里不再贅述。需要注意的是：在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，對(duì)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(jù)衍射條紋情況，適當(dāng)調(diào)節(jié)電位器功率大小，直到出現(xiàn)的衍射條紋符合測(cè)量要求即可。同一超聲槽改進(jìn)前后的衍射條紋如圖5所示。

4 結(jié) 論

本研究提出了超聲光柵測(cè)量液體中聲速的新的改進(jìn)方案，其中優(yōu)點(diǎn)有：

(1)制作用全玻璃制成的矩形透明超聲槽，代替原來(lái)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(guò)的衍射條紋受一定限制的問(wèn)題，可在屏幕上觀測(cè)到更多的衍射條紋。

(a)改進(jìn)前(b)改進(jìn)后

圖5 同一超聲槽改進(jìn)前后的衍射條紋

(2)設(shè)計(jì)制作了一個(gè)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(bǔ)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(jí)數(shù)太少問(wèn)題，使光波通過(guò)超聲光柵時(shí)產(chǎn)生的衍射條紋級(jí)數(shù)可明顯增加。

(3)相比較機(jī)械夾緊狀態(tài)而言，處于機(jī)械自由狀態(tài)下的壓電陶瓷片的機(jī)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(duì)應(yīng)面的玻璃槽壁表面必須平行，才會(huì)形成較好的表面駐波，而懸架裝置自身的傾斜將會(huì)給調(diào)節(jié)增加難度，改進(jìn)后的裝置利用玻璃外殼對(duì)應(yīng)面近似平行的特點(diǎn)較好的解決了這一問(wèn)題，使調(diào)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(cè)，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(duì)超聲傳感器表面電極涂層的腐蝕，節(jié)約了實(shí)驗(yàn)成本；另一面，拓展了用超聲光柵測(cè)量液體聲速實(shí)驗(yàn)中所用的液體范圍。

(5)因?qū)⑷ＡС暡廴萜髋c控溫系統(tǒng)相連接，方便探究聲速和溫度的關(guān)系。

(6)利用CCD測(cè)量技術(shù)實(shí)現(xiàn)了超聲波速度的自動(dòng)化測(cè)量，有效降低人為因素造成的錯(cuò)誤，提高了超聲波速度的測(cè)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(xué)改革研究項(xiàng)目(2012GJJG164)；河北工業(yè)大學(xué)教育教學(xué)改革研究項(xiàng)目(201303002)資助

葉文江(1976-)，男，河北石家莊人，副教授，現(xiàn)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(xiàn)主要從事大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)的教學(xué)研究。

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

O 4-34

A

1006-7167(2015)11-0026-04