超声光栅效应及应用
超声光栅效应及应用
摘要
超声光栅效应是声光相互作用的一种典型类型，尤其是在声光作用距离较小情况下，光波通过介质时，介质折射率形成近似不随时间变化的空间周期性分布，因而光波通过这种周期性分布的介质时，其位相会受到调制。超声光栅是一种可擦除的实时光栅，其光栅常数可以通过超声波的频率来控制,利用超声光栅技术可以对声波特性 (如频率、波速、波长、声压衰减、相位等) 等进行测量。随着激光技术的发展,声光相互作用在控制光的强度、传播方向等方面又得到了新的应用，因此越来越受到人们的关注。
本文研究了液体中声光相互作用的机理，包括介质中声波的传播形式、声光相互作用的类型，着重研究了声光拉曼-奈斯衍射的机理，以及声光拉曼-奈斯衍射在超声声速和液体浓度测量中的应用。
理论和实验研究结果表明:（1）对于同一种入射光，在相同浓度的液体中，存在一超声频率使得衍射的级数最多，衍射的条纹亮度最高,此应恰好是超声换能器的共振频率，该频率应在10.30MHz附近。（2）利用高压汞灯不同谱线测量得到超声声速值与公认值比较符合，测量精度较高。（3）利用He-Ne激光作为光源，测得的声速值与公认值差别较大。此由于激光强度大，衍射光斑尺寸大，测量衍射条纹间距时精度较低的原因。
由于超声作用将导致光纤布拉格光栅(FBG)发生微弯曲,从而对FBG的纤芯折射率作出相应的调制,使得FBG的反射谱和透射谱发生显著的变化。利用该特点,国外研究者已经实现了基于超声调制FBG传感器、可调谐反射器、光开关、光纤滤波器等。首先,对超声检测中的超声波以及超声换能器进行了简单的介绍,提出检测应用中超
声波的优点,并介绍了超声波的类型,同时对超声换能器产生超声波的原理和超声换
能器的结构作了介绍。其次,从光栅基本理论出发,得出了超声作用导致光栅横向振动时光栅中存在三种主要的耦合方式,提出了经过修正之后的耦合模方程,根据失谐
量定义,从相位匹配条件出发,定性地分析了光栅横向振动的反射谱特性。另外,从光栅超晶格理论出发,本文也简单介绍了纵向振动反射谱特性。第三,提出了基于Newton-Raphson方法的算法,对横向振动反射谱特性进行了数值模拟,这种算法快速稳定并且收敛。同时对数值模拟的反射谱进行了详细的分析。通过对数值模拟过程中选择的耦合模数目和超声强度进行优化分析,获得的结论是:如果没特殊要求的话,多
模耦合方程中只需要选择两个模式就可以得到较精确的谱线。最后,根据理论分析,计算了要产生一阶包层模需要的超声波长以及对应的超声换能器频率,并进行了光纤光栅超声横向振动实验。测量了不同超声功率下FBG的反射谱。实验结果与理论基本相吻合。
一绪论
超声波
从1880 年居里发现了压电现象以及1893 年Galton发现了超声哨子时，就建立了超声波领域。1986年,英国皇家化学会在Warmick 大学召开了第一次声振化学(sonochemistry)会议,反映了本领域的研究进展，引起了工业界和学术界的兴趣, 声振化学的发展已能与光化学、激光化学、热化学和高压化学相提并论。超声波和声波一样,是物质介质中的一种弹性机械波,只是频率不同。超声学是涉及20kHz以上频率声波的一个声学分支，人耳一般听不见，它在介质中传播形式可分为两种情形:（1）低振幅传播。此时,超声波并不改变所通过材料的理化特性,超声波测量就主要是由这类超声波完成；（2）高能传播。此时,超声波对传播介质发生影响。在弹性介质中传播的超声波的频率f和周期T一般取决于声源的振动频率和周期，它们与介质本身的特性无关。而超声波是通过电磁振荡与机械振动的转换来实现,超声波的发生通常有三种方法：磁控振荡、压电晶体振荡和机械振荡,前两种方法一般不适合液体乳化混合操作,比较适用的是机械振荡方法，完成这种转换的装置称为电声换能器。由于超声波的波长很短, 频率很高,因而具有一系列与通常声波不同的特点。由于超声波的波长比在同样介质中的声波波长短得多,衍射现象不明显,所以可以像光一样沿直线传播,具有很好的定向性。超声波同样有干涉现象,能产生驻波。实验证明超声波遵守折射和反射定律,能够加以汇聚,以获得巨大能量。由于波的强度正比于频率的平方,所以在相同的振幅时,超声波比普通声波具有大得多的能量。
超声波应用的研究由来已久，20～100kHz的超声波作为能量作用：用于清洗、塑料熔接及许多化工过程。2～10MHz的超声波作为传播作用：用于医学扫描、化学分析及松弛现象的研究。一般认为超声在物质介质中的相互作用的强弱与超声波的频率和强度有关，超声波的作用可归纳为以下几个方面[1]：（1）加热作用：介质总体温度的上升是由于吸收声波。（2）结构影响：当流体放置于高强声场中时，动力搅拌和剪切应力将影响其结构特性。（3）压缩和松弛作用：当高强声能波通过固体介质时，将会出现快速的压缩和松弛作用。（4）声冲流：高强的超声波在液、固和气固界面能引起比较强烈的流，称为“声冲流’（5）空化作用：在超声波压力场内，空化气泡的形成、增长和剧烈破裂以及由此引发的一系列理化效应。因此超声波在物理、生物、医学、测量等学科及工业、农业领域中得到广泛应用。如超声清洗、超声雾化、超声探测、超声乳化混合、超声全息显示及声光效应等。
1922 年,布里渊(L . Brillouin)曾预言,当高频声波在液体传播时,如果有可见光通过该液体,首次提出声波对可见光会产生衍射效应。这一预言
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在10 年后得到了验证,这一现象被称作声光效应。若声光作用距离L较小,光波通过时,介质折射率的空间周期性变化性质可近似认为是时间不变的,其位相受到的调制,如同经过一个正弦位相光栅,正弦位相光栅与普通平面矩形光栅的衍射主极大满足类似的光栅方程。1935年,拉曼( Raman) 和奈斯(Nath) 对声光效应进行研究发现,在一定条件下,声光效应的衍射光强分布类似于普通的光栅,所以也称为液体中的超声光栅【1】。超声光栅是一种可擦除的实时光栅,它的光栅常数和位相调制深度可以通过超声波的频率和振幅来控制, 因此越来越受到人们的关注，利用超声光栅技术可以对声波特性 (如频率、波速、波长、声压衰减、相位等) 等进行测量；也可以进行声波定位、探伤、测距；检测声学在实际应用中也越来越广泛，例如无损检测、探伤、流体测速、定位、测距等声学检测领域也尤为重要。特别是超声光栅的多普勒频移技术，在外差干涉测量等领域得到了广泛的发展。近些年，随着激光技术的发展,声光相互作用在控制光的强度、传播方向等方面又得到了新的应用。因此研究液体中的超声光栅现象具有重要的实际意义。
三超声光栅测量液体声速的研究
声光衍射理论的概述
超声波是一种弹性波，当它通过介质时，介质中的各点将出现随时间和空间周期性变化的弹性应变。由于弹光效应，介质中各点的折射率也会产生相应的周期性变化。当光通过有超声波作用的介质时，相位就要受到调制，其结果如同它通过一个衍射光栅，光栅间距等于声波波长，光束通过这个光栅时就要产生衍射，这就是通常观察到的声光衍射，而这种衍射光栅被称为超声光栅。入射光将被光栅衍射，衍射光的强度、频率和方向都随超声场而变化。声光调制器就是利用衍射光的这些性质来实现光的调制和偏转的。
超声光栅测量液体声速的研究
压电陶瓷片(PZT)在高频信号源所产生的交变电场的作用下,发生周期性的压缩和伸长振动,其在液体中的传播就形成超声波,当一束平面超声波在液体中传播时,其声压使液体分子作周期性变化,液体的局部就会产生周期性的膨胀与压缩,这使得液体的密度在波传播方向上形成周期性分布,促使液体的折射率也做同样分布,形成了所谓疏密波,这种疏密波所形成的密度分布层次结构,就是超声场的图像,此时若有平行光沿垂直于超声波传播方向通过液体时,平行光会被衍射。以上超声场在液体中形成的密度分布层次结构是以行波运动的,为了使实验条件易实现,衍射现象易于稳定观察,实验中是在有限尺寸液槽内形成稳定驻波条件下进行观察,由于驻波振幅可以达到行波振幅的两倍,这样就加剧了液体疏密变化的程度。驻波形成以后,某一时刻t ,驻波某一节点两边的质点涌向该节点, 使该节点附近成为质点密集区, 在半个周期以后，t+T/2时刻，这个节点两边的质点又向左右扩散，使该波节附近成为质点稀疏区，而相邻的
两波节附近成为质点密集区。
五结论
四超声波在其它方面的应用
液位测量是工业上经常遇到的一个问题,如化工、石油等企业总是有许多盛液或盛料的反应锅与储槽需要测定液位或料位。从测量范围来说,有的只有几十厘米,有的可达几十米；从测量条件来说,有的很简单,有的却十分复杂。例如:有的是高温高压, 有的是低温或真空;有的需要防腐蚀、防辐照,有的液体挥发性很强,甚至必须防爆;有的从安装上提出苛刻的限制,有的从维护上提出严格要求等等针对不同要求和不同用途,现已发展了许多液位测量技术,其中超声波技术也是一种很有效的测位方法。超声波液位测量有许多优点:它不仅能够定点和连续测位,而且能方便地提供遥测或遥控所需的信号。与其它测位技术相比,它不需要特别防护,安装和维护较方便,而且结构、方法都较简单,价格低廉。特别是超声波液位测量技术可以选用气体、液体或固体作为传声媒质,因而有较大的适应性。在超声波液位测量技术中,应用最广泛的是超声波脉冲回波方法。其工作原理可简述为:由发射传感器发出超声波脉冲,在媒质中传到液面,经反射后再通过媒质返回到接收传感器,测出超声波脉冲从发射到接收到所需的时间,根据媒质中的声速,就能得出从传感器到液面之间的距离,从而确定液面。超声波液位测量技术可分为气介式、液介式或固介式三类。根据所用传感器的工作方式,又可分为自发自收单传感器方式和一发一收双传感器方式超声波液位测量技术是以超声波作为采集信息的手段,产生和接收超声波信号是这项技术最关键的问题。实现产生和接收超声波信号的器件就是超声波传感器。为了提高测量精度,作者研究开发了一种新型的自发自收式电容性超声波传感器,其本质是一个电容器,它的两极是由一面蒸涂有金属的聚乙烯塑料薄膜和有适当厚度的金属背极构成的。这种新型的自发自收式电容性超声波传感器,其具有体积小、重量轻、结构简单和控制方便等特点,且信号的上升沿、下降沿都较陡,比传统的压电晶体或压电陶瓷超声波传感器的信号敏感,有利于高精度测量。应用本系统可实现对工业上液位或料位的测量,实验表明它是一种值得在工业中进一步深入研究和推广应用的检测技术之一。
超声波清洗作为一种先进、高效的清洗技术,在国内外越来越得到广泛的应用。近年来,国内生产的超声波清洗机的种类和数量急增,超声波清洗技术也在不断发展和提高。超声波清洗技术之所以越来越得到广泛应用,是由于它具有诸多特点:（1）超声波清洗可大大提高被清洗制件表面的洁净度,这在近代电子、航空、宇航等高、精、尖科学技术发展中,显得尤为重要；（2）清洗速度快、工效高；（3）超声波清洗机的应用便于清洗工艺的实施及工艺过程的连续自动化；（4）不宜用其它清洗工艺清洗的易碎物品或制件,可用超声波清洗法进行较好的清洗；（5）外形结构比较复杂具
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有狭小缝隙、孔洞的制件(或部件),用其它工艺清洗不彻底时可用超声波清洗法清洗干净；（6）大大降低清洗作业的劳动强度,特别是大批量的小制件(或部件)，尤其适用于超声波清洗。
五结论
本文主要研究了液体中声光相互作用的机理，液体中超声光栅的形成和利用超声光栅测量液体中的声速；最后讨论了超声波的应用，如超声波测量液位的应用、超声波清洗技术的应用、超声检测等。
在理论研究的基础上，通过实验观察了液体中超声波与光波的拉曼-奈斯衍射。拉曼-奈斯衍射的各级衍射光对称地分布在零级光两侧，衍射光的强度随级数增加而减少，而衍射光相对于入射光有一个多普勒频移。从实验测量液体中的声速可见:（1）对于同一种入射光，在相同浓度的液体中，存在一超声频率，使得到衍射的级数最多，衍射的条纹亮度最高,此时的超声频率恰好是超声换能器的共振频率，该频率在10.30MHz附近。（2）利用高压汞灯不同谱线测量得到超声声速值与理论值比较符合，测量精度较高。（3）利用He-Ne激光作为光源，测得的声速值与公认值差别较大。此由于激光强度大，衍射光斑尺寸大，测量衍射条纹间距时精度较低的原因。
致谢
本论文所做工作自始至终都是在教授的悉心指导下完成的，全部工作都凝结着她的汗水与心血。朱老师学识渊博，治学严谨，她在学术上的造诣使我受益终生。她注重培养学生的独立工作能力，从不限制学生的思维方式，关键时候的点拨又起到画龙点睛的作用。朱老师严谨的治学风范，一丝不苟的敬业精神、饱满的工作热情、严谨求实的科学态度、高度负责的精神以及对学生无微不至的关怀，时时感动和激励着我，使我受益匪浅，将会深远地影响我的一生。
衷心感谢实验室老师在毕业设计中提供支持和帮助。
感谢数理系所有老师，感谢西安工业大学多年来的教育和培养。
感谢041004班全体同学这四年来的鼎力支持。深深的感谢家人及朋友们的支持和帮助。没有她们的关心和爱护，就没有我的今天和未来！
最后衷心感谢百忙之中抽出时间参加论文评阅和评议的各位老师，感谢他们为审阅本文所付出的珍贵的指教和辛勤。
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附录A
附录A
下列图表是测微目镜中衍射条纹的读数，小数点后第三位为估数值：（mm）表1：以汞灯为光源，在普通水情况下频率为υ=10.37±0.01MHZ
时，测微目镜中衍射条纹位置的读数（mm）
表2：以汞灯为光源，在普通水情况下频率为υ=10.43 MH
表3：以汞灯为光源，在浓度为0.3％的盐水下频率υ=10.21±0.01MHZ
表4：以汞灯为光源，在浓度为0.6％的盐水下频率υ=10.14MH
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表5：以汞灯为光源，在浓度为0.9％的盐水下频率υ=10.26±0.01MHZ
表6：以汞灯为光源，在浓度为1.5％的盐水下频率υ=9.77±0.01MHZ
表7：以激光为光源，在普通水下υ=10.33±0.01MHZ
时，测微目镜中衍射条纹位置读数：（mm ）
表8：以激光为光源，在浓度为0.8％的盐水下 υ
=10.32±0.01MHZ
对声空化效应的应用综述
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对声空化效应的应用综述 1.声空化和海洋生物搁浅为了更好的侦测潜艇等,海军自20世纪60年以来就开始使用主动声纳(原理见图9)。中频声纳频率为1~10kHz;低频声纳频率小于1kHz。主动声纳的主要原理是首先由声纳发射出探测信号,然后通过接收探测信号遇到物体反射回来的反射波对目标进行分析(例如类型、位置和形状等)。为了增加探测的距离,一般主动声纳的功率都比较大。声纳对于海洋动物的影响是多方面的,比如可能会引起海洋生物的恐慌和干扰其回声定位系统等。这里主要讲述的是与声空化相关的效应。近些年来,人们发现很多的海洋生物(主要是鲸鱼和海豚等)搁浅事件与海军的军事演习在时间和空间上有着很强的关联。2002年9月24日,有10个国家参与的北大西洋公约组织的代号为“NeoTapon2012”的国际海军演习在西班牙加那利群岛(CanaryIslands)附近进行。在使用主动声纳4小时后,演习地点附近发现有14头不同种类的海洋生物搁浅(图10)。随后,科学家通过解剖搁浅的海洋生物尸体(图11)指出海军演习过程中使用的声纳可能是造成此事件的罪魁祸首。在搁浅的海洋动物体内(尤其是肝脏),发现了大量的不同尺度的空泡(图11)。在局部部位,空泡体积甚至占到总体积的90%。一些微小空泡(直径在50~750m之间)的存在可能导致海洋生物的肝脏组织被压缩,血管膨胀,局部出血和严重的细胞坏死等。那么这些不正常的空泡到底是从哪里来的呢?这些空泡又是如何影响鲸鱼等海洋生物的正常活动呢?学术界有两种解释:第一种解释认为鲸鱼受到声纳的噪音等惊吓,快速浮上水面造成类似于潜水病的症状。但近年来的一些后续研究并不支持此观点。在一次测试中,科学家给一头突吻鲸贴上了“标签”,并跟踪其在声纳使用过程中的行为。实验表明,该鲸鱼缓慢下潜,然后停止其进食活动,远离声源,并最终浮上水面。这与之前科学家所推测的鲸鱼会在声呐的干扰下快速浮出水面并不相符。另一种解释认为搁浅可能跟空泡在含有高饱和度气体的环境中和高功率的声场作用下的增长有关。人们很早就发现在声场的作
液体中超声波声速的测定实验报告
液体中超声波声速的测定 人耳能听到的声波，其频率在16Hz 到20kHz 范围内。超过20Hz 的机械波称为超声波。光通过受超声波扰动的介质时会发生衍射现象，这种现象称为声光效应。利用声光效应测量超声波在液体中传播速度是声光学领域具有代表性的实验。 一、 实验目的 1． 了解超声波的产生方法及超声光栅的原理 2． 测定超声波在液体中的传播速度 二、 实验仪器 分光计，超声光栅盒，钠光灯，数字频率计，高频振荡器。 三、 实验原理 将某些材料（如石英、铌酸锂或锆钛酸铅陶瓷等）的晶体沿一定方向切割成晶片，在其表面上加以交流电压，在交变电场作用下，晶片会产生与外加电压频率相同的机械振动，这种特性称为晶体的反压电效应。把具有反压电效应的晶片置于液体介质中，当晶片上加的交变电压频率等于晶片的固有频率时，晶片的振动会向周围介质传播出去，就得到了最强的超声波。 超声波在液体介质中以纵波的形式传播，其声压使液体分子呈现疏密相同的周期性分布，形成所谓疏密波， 如图1a)所示。由于折射率与密度有关，因此液体的折射率也呈周性变化。若用N 0表示介质的平均折射率，t 时刻折射率的空间分布为 ()()y K t N N t y N s s -?+=ωcos ,0 式中ΔN 是折射率的变化幅度；ωs 是超声波的波角频率；K s 是超声波的波数，它与超声波波长λs 的关系为K s =2π/λs 。图1b 是某一时刻折射率的分布，这种分布状态将随时以超声波的速度v s 向前推进。
图1 密度和折射率呈周期分布 如果在超声波前进的方向上垂直放置一表面光滑的金属反射器，那么，到达反射器表面的超声波将被反射而沿反向传播。适当调节反射器与波源之间的距离则可获得一共振驻波（纵驻波）。设前进波与反射波分别沿y 轴正方向传播，它们的表达式为 ()y K t A s s -=ωξcos 1 ()y K t A s s +=ωξcos 2 其合成波为 ()()y K t A y K t A s s s s +=+-=+=ωξωξξξcos cos 121
超声光栅测液体中的声速 实验报告
实验设计说明书题目：利用超声光栅测液体中的声速 院部：理工科基础教学部 专业班级：物理学（创新实验班）1班 学生姓名：某某某 学号：41106XXX 实验日期： 2013年5月21日
超声光栅测液体中的声速 人耳能听到的声波，其频率在16Hz 到20kHz 范围内。超过20Hz 的机械波称为超声波。光通过受超声波扰动的介质时会发生衍射现象，这种现象称为声光效应。利用声光效应测量超声波在液体中传播速度是声光学领域具有代表性的实验。 一、实验目的 （1）学习声光学实验的设计思想及其基本的观测方法。 （2）测定超声波在液体中的传播速度。 （3）了解超声波的产生方法。 二、 仪器用具 分光计，超声光栅盒，高频振荡器，数字频率计，纳米灯。 三、 实验原理 将某些材料（如石英、铌酸锂或锆钛酸铅陶瓷等）的晶体沿一定方向切割成晶片，在其表面上加以交流电压，在交变电场作用下，晶片会产生与外加电压频率相同的机械振动，这种特性称为晶体的反压电效应。把具有反压电效应的晶片置于液体介质中，当晶片上加的交变电压频率等于晶片的固有频率时，晶片的振动会向周围介质传播出去，就得到了最强的超声波。 正文： 光声效应的发现无疑是物理学两大分支的又一次融合，利用超声光栅测量液体中的声速就是这一物理现象的应用。此次实验的仪器包括超声光栅池、超声仪、分光计、测微目镜以及光源。 由于声波是纵波，所以当超声波在液体（本实验用的是水）传播时，声波的振动会引起液体密度空间分布的周期性变化（如右图），进而导致液体的折射率亦呈周期性分布（如右图）。如果在某一时间t 0，液体密度的空间函数为： ()0s 02sin x t x π ρρρωλ??=+?- ? ?? ? ① 其中，0ρ是液体的静态密度，ρ?是密度的变化幅度，s ω是超声波的角频率，λ是超声波长，x 是超声波的传播方向，也是密度变化的空间方向；此时，折射率 的空间函数为：()0s 02sin n x n n t x πωλ? ?=+?-? ?? ?②，其中0n 为液体的静态折射率
光栅的特性及应用
光栅的特性及应用 一、光栅的基本特性 光栅主要有四个基本性质:色散、分束、偏振和相位匹配，光栅的绝大多数应用都是基于这四种特性。 光栅的色散是指光栅能够将相同入射条件下的不同波长的光衍射到不同的方向，这是光栅最为人熟知的性质，它使得光栅取代棱镜成为光谱仪器中的核心元件。光栅的色散性能可以由光栅方程推导出来，这个问题我们将在后面作更为详细的分析，推导出光栅的广义色散公式。 光栅的分束特性是指光栅能够将一束入射单色光分成多束出射光的本领。应用领域有光互连、光藕合、均匀照明、光通讯、光计算等。其性能评价指标有:衍射效率、分束比、压缩比、光斑非均匀性以及光斑模式等。目前较常用的光栅分束器有:Dammann光栅分束器、Tablot光栅分束器、相息光栅分束器、波导光栅分束器等。另外，位相型菲涅耳透镜阵列分束器、Gbaor透镜分束器等透镜型的分束器也是相当常用的。 在标量领域范围内，光栅的偏振特性往往被忽略，因此，光栅的偏振性在以前不被人广知。但是理论和
实验都证明，一块设计合理、制作优良的光栅可以被用来做偏振器、1/2波片、1/4波片和位相补偿器等。光栅的偏振特性需要用光栅的矢量理论才能分析得到，我们将在后面章节对光栅的偏振特性进行理论分析。 光栅的相位匹配性质是指光栅具有的将两个传播常数不同的波祸合起来的本领。最明显的例子是光栅波导祸合器，它能将一束在自由空间传播的光束祸合到光波导中。根据瑞利展开式，一束平面波照射在光栅上会产生无穷多的衍射平面波，相邻衍射波的波矢沿x方向的投影之间的距离是个常数，等于光栅的波矢，即平面波可以看作是电磁波在无源、均匀媒质中的一种模式，因此光栅有能力把波矢沿着固定方向而投影相差光栅波矢整数倍的不同平面波耦合起来。 二、衍射光栅的应用 衍射光栅是一种分光元件,也是光谱仪器的核心元件。1960年代以前,全息光栅,刻划光栅,作为色散元件,广泛用于摄谱仪光谱分析,是分析物质成分、探索宇宙奥秘、开发大自然的必用仪器,极大地推动了包括物理学、天文学、化学、生物学等科学的全面发展。随着科学技术的发展，其应用早已不局限于光谱学领
空化作用
空化作用 超声波空化作用，就是指液体中的微小气泡核在超声波作用下产生振动，当声压达到一定值时，气泡将迅速膨胀，然后突然闭合，在气泡闭合时产生冲击波，这种膨胀、闭合、振荡等一系列动力学过程称超声波空化。 形成 液体介质中由于涡流或超声波的物理作用，液体中的某一区域会形成局部的暂时的负压区，于是在液体介质中产生空化气泡，简称为空穴或气泡。一定强度的超声波的作用下，液体介质产生的空化气泡，可分为四种类型：接近真空的气泡、含蒸气的气泡、含气体的气泡、蒸气的空化气泡。 根据空化气泡的热力学稳定性，空化气泡还可以分为亚稳气泡和稳定气泡。接近真空的气泡和含蒸气的空化气泡是亚稳气泡，一般认为是在强度超过10W/cm2 的超声被作用下而产生的；而稳定气泡则是在较低强度(2W/ c m2）的超声波作用下所产生的，主要是一些含有气体的空化气泡以及含有气体和蒸气的空化气泡。 空化气泡在超声场的作用下会发生振动，但并不一定就发生溃陷，只有当超声波的频率小子空化气泡振动频率时才会使空化气泡溃陷；反之，当超声波的频率超过空化气泡的振动频率时，空化气泡会进行更为复杂的振动，而不会发生溃陷。 特点 空化气泡一旦形成，既有可能重新溶解到液体介质中去，又有可能上浮而消失，或由于空化气泡自身大小的原因，在超声震荡的超声场中随着超声场的相位变化而长大和压缩。由于超声场是均匀的，在被体介质中间的空化气泡溃陷过程中保持球形。当液体介质中的微粒太小而不能够紊扰趣声场时，就会形成射流束，这时液体介质中的气泡也是球形溃陷的。 当空化气泡靠近固体的界面处时，固体表面上的空化气泡则发生不对称溃陷，产生直射向固体表面的射流束。由于溃陷气泡的大部分能由被转化为射流束的动能，使得射流束的速度高达每小时400km。也即射流束以近乎团体所能承受的力冲击固体表面，这样在固体的表面发生洗涤和孔蚀作用，故也称空化作用为孔蚀作用，这就是进行超声清洗、固-液反应或催化反应等的基础之所在。 空化作用气泡的寿命约0.1μs，它在急剧崩溃时可释放出巨大的能量，并产生 速度约为110m/s、有强大冲击力的微射流，使碰撞密度高达1.5kg/cm2。空化作用气泡在急剧崩溃的瞬间产生局部高温高压（5000K，1800atm），冷却速度可达109K/s。超声波这种空化作用大大提高非均相反应速率，实现非均相反应物间的均匀混合，加速反应物和产物的扩散，促进固体新相的形成，控制颗粒的尺寸和分布。 影响因素
超声空化效应
超声空化效应 当声波通过液体时, 液体各处的声压会发生周期性的变化,相应地, 液体中的微泡核 也会随超声频率发生周期性的振荡。在低声强下, 气泡的径向振荡受声压控制, 微气泡沿着平衡半径左右振荡多次, 在每一个振荡的微气泡周围将产生辐射压力和微束流。微束流能在气泡表面附近产生非常高的切变应激力, 使气泡变形甚至破裂, 可导致邻近的细胞或生物大分子受到影响, 产生一定的生物学效应。这种微泡随声压以其半径为平衡半径做周期性的振荡运动称为稳态空化。当作用声强增大, 使气泡的振荡幅度可与其平衡尺寸相比拟时, 气泡的振动即转而由其周围媒质的惯性所控制。空化核在超声场负压相半周期迅速膨胀, 而在正压相半周期又急剧收缩至内爆, 这种空化称作瞬态空化或惯性空化。瞬态空化时气泡振荡十分猛烈, 最初气泡先是爆炸式地膨胀, 随后又迅速萎陷。在最后萎陷阶段, 会产生局部高温、高压现象( 泡内部的压力和温度可以达到几百上千个大气压和数千开) , 此外还伴随强大冲击波、高速微射流、自由基的产生[1]。这些极端的物理条件和化学基团的形成对正常细胞的结构和酶的生物活性有极大的破坏作用, 但同时对肿瘤细胞可进行有效的杀伤。与稳态空化相比, 瞬态空化除了微气泡发生剧烈的崩溃外, 另一个不同之处在于瞬态空化的产生须具有一定的阈值, 即当超声的声压达到一定值时, 才会引发瞬态空化过程。研究表明, 在瞬态空化下, 细胞和组织受到生物学损伤的危险性较高。高强度的压力波会使细胞损伤、破裂、DNA 断裂, 以及血液溶血、组织损伤、出血等[2- 3]。 在超声造影剂微泡加入的情况下, 空化核增多, 空化效应增强, 空化阈值降低。当然, 影响空化效应的因素很多, 如超声强度和超声频率、液体性质( 如温度、溶解的气体含量、表面张力、液体黏滞度) 等均会对空化效应产生影响。 子宫肌瘤的非手术治疗：超声聚焦刀 周凯扬州市妇幼保健院
用超声光栅测液体中的声速
用超声光栅测液体中的声速 实验目的 1．了解超声致光衍射的原理。 2．学会利用超声光栅测量超声波在液体中传播速度的方法。 实验仪器 WSG－Ⅰ型超声光栅声速仪（超声信号源、液体槽、锆钛酸铅陶瓷体连液体槽盖板、液体槽座、高频信号线）、分光计、测微目镜、钠光灯、纯净水、酒精（95％）、小毛巾。 实验原理 光波在介质中传播时被超声波衍射的现象，称为超声致光衍射（亦称声光效应）。 超声波作为一种纵波在液体中传播时，其声压使液体分子产生周期性的变化，促使液体的折射率也相应的作周期性的变化，形成疏密波。此时，如有平行单色光沿垂直于超声波传播方向通过这疏密相间的液体时，就会被衍射，这一作用，类似光栅，所以称为超声光栅。 超声波传播时，如前进波被一个平面反射，会反向传播。在一定条件下前进波与反射波叠加而形成超声频率的纵向振动驻波。由于驻波的振幅可以达到单一行波的两倍，加剧了波源和反射面之间液体的疏密变化程度。某时刻，纵驻波的任一波节两边的质点都涌向这个节点，使该节点附近成为质点密集区，而相邻的波节处为质点稀疏处；半个周期后，这个节点附近的质点又向两边散开变为稀疏区，相临波节处变为密集区。在这些驻波中，稀疏作用使液体折射率减小，而压缩作用使液体折射率增大。在距离等于波长Λ的两点，液体的密度相同，折射率也相等，如图1所示。 图1 在t和t+T/2(T为超声振动周期)两时刻振幅y、液体疏密分布和折射率n的变化 1
单色平行光λ沿着垂直于超声波传播方向通过上述液体时，因折射率的周期变化使光波的波阵面产生了相应的位相差，经透镜聚焦出现衍射条纹。这种现象与平行光通过透射光栅的情形相似。因为超声波的波长很短，只要盛装液体的液体槽的宽度能够维持平面波（宽度为ι），槽中的液体就相当于一个衍射光栅。图中行波的波长Λ相当于光栅常数。由超声波在液体中产生的光栅作用称作超声光栅。 当满足声光喇曼－奈斯衍射条件：2πλι/Λ2<<1时，这种衍射相似于平面光栅衍射，可得如下光栅方程（式中k 为衍射级次，φk 为零级与k 级间夹角） λφk k =Λsin （k =0，1，2，……） 在调好的分光计上，由单色光源和平行光管中的可调狭缝S 与会聚透镜L 1组成平行光系统，如图2所示。 让光束垂直通过装有锆钛酸铅陶瓷片（或称PZT 晶片）的液槽，在玻璃槽的另一侧，用自准直望远镜中的物镜L 2和测微目镜组成测微望远系统。若振荡器使PZT 晶片发生超声振动，形成稳定的驻波，从测微目镜即可观察到衍射光谱。从图2中可以看出，当φk 很小时，有： f l k k /sin =φ 其中为衍射光谱零级至k 级的距离；为物镜L k l f 2的焦距，所以超声波波长： k k l f k k /sin /λφλ==Λ （3） 超声波在液体中的传播速度： k l f ?=Λ=/νλνυ （4） 式中的ν是振荡器和锆钛酸铅陶瓷片的共振频率，k l ?为同一色光衍射条纹间距。 图2 WSG-I 型超声光栅声速仪衍射光路图 2
超声波检测技术及应用
超声波检测技术及应用 刘赣 （青岛滨海学院，山东省青岛市经济开发区266000） 摘要：无损检测(nondestructive test)简称NDT。无损检测就是不破坏和不损伤受检物体，对它的性能、质量、有无内部缺陷进行检测的一种技术。本文主要讲的是超声波检测（UT）的工作原理以及在现在工业中的应用和发展。 关键词：超声波检测；纵波；工业应用；无损检测 1.超声波检测介绍 1.1超声波的发展史 声学作为物理学的一个分支, 是研究声波的发生、传播、接收和效应的一门科学。在1940 年以前只有单晶压电材料, 使得超声波未能得到广泛应用。20 世纪70 年代, 人们又研制出了PLZT 透明压电陶瓷, 压电材料的发展大大地促进了超声波领域的发展。声波的全部频率为10- 4Hz～1014Hz, 通常把频率为2×104Hz～2×109Hz 的声波称为超声波。超声波作为声波的一部分, 遵循声波传播的基本定律, 1.2超声波的性质 1）超声波在液体介质中传播时，达到一定程度的声功率就可在液体中的物体界面上产生强烈的冲击（基于“空化现象”）。从而引出了“功率超声应用技术“例如“超声波清洗”、“超声波钻孔”、“超声波去毛刺”（统称“超声波加工”）等。2）超声波具有良好的指向性 3）超声波只能在弹性介质中传播，不能再真空中传播。一般检测中通常把空气介质作为真空处理，所以认为超声波也不能通过空气进行传播。 4）超声波可以在异质界面透射、反射、折射和波型转化。 5）超声波具有可穿透物质和在物质中衰减的特性。 6）利用强功率超声波的振动作用，还可用于例如塑料等材料的“超声波焊接”。 1.2超声波的产生与接收 超声波的产生和接收是利用超声波探头中压电晶体片的压电效应来说实现的。由超声波探伤仪产生的电振荡，以高频电压形式加载于探头中压电晶体片的两面电极上时，由于逆压电效应的结果，压电晶体片会在厚度方向上产生持续的伸缩变形，形成了机械振动。弱压电晶体片与焊件表面有良好的耦合时，机械振动就以超声波形式传播进入被检工件，这就是超声波的产生。反之，当压电晶体片收到超声波作用而发生伸缩变形时，正压电效应的结果会使压电晶体片两面产生不同极性的电荷，形成超声频率的高频电压，以回波电信号的形势经探伤仪显示，这就是超声波的接收。 1.3超声波无损检测的原理 超声波探伤仪的种类繁多，但在实际的探伤过程，脉冲反射式超声波探伤仪应用的最为广泛。一般在均匀的材料中，缺陷的存在将造成材料的不连续，这种
光纤光栅原理及应用
光纤光栅传感器原理及应用 （武汉理工大学） 1光纤光栅传感原理 光纤光栅就是利用紫外光曝光技术，在光纤中产生折射率的周期分布，这种光纤内部折射率分布的周期性结构就是光纤光栅。光纤布喇格光栅（Fiber Bragg grating ，FBG ）在目前的应用和研究中最为广泛。光纤布喇格光栅，周期0.1微米数量级。FBG 是通过改变光纤芯区折射率，周期的折射率扰动仅会对很窄的一小段光谱产生影响，因此，如果宽带光波在光栅中传输时，入射光将在相应的波长上被反射回来，其余的透射光则不受影响，这样光纤光栅就起到了波长选择的作用，如图1。 图1 FBG 结构及其波长选择原理图 在外力作用下，光弹效应导致折射率变化，形变则使光栅常数发生变化；温度变化时，热光效应导致折射率变化，而热膨胀系数则使光栅常数发生变化。 （1）光纤光栅应变传感原理 光纤光栅反射光中心波长的变化反映了外界被测信号的变化情况，在外力作用下，光弹效应导致光纤光栅折射率变化，形变则使光栅栅格发生变化，同时弹光效应还使得介质折射率发生改变，光纤光栅波长为1300nm ，则每个με将导致1.01pm 的波长改变量。 （2）光纤光栅温度传感原理 光温度变化时，热光效应导致光纤光栅折射率变化，而热膨胀系数则使光栅栅格发生变化。光纤光栅中心波长为1300nm ，当温度变化1摄氏度时，波长改变量为9.1pm 。 反射光谱 入射光谱 投射光谱 入射光 反射光 投射光 包层 纤芯 光栅 光栅周期
2光纤光栅传感器特点 利用光敏元件或材料，将被测参量转换为相应光信号的新一代传感技术，最大特点就是一根光纤上能够刻多个光纤光栅，如图2所示。 光纤光栅传感器可测物理量： 温度、应力/应变、压力、流量、位移等。 图2 光纤光栅传感器分布式测量原理 光纤光栅的特点： ● 本质安全，抗电磁干扰 ● 一纤多点（20-30个点），动态多场：分布式、组网测量、远程监测 ● 尺寸小、重量轻； ● 寿命长: 寿命 20 年以上 3目前我校已经开展的工作（部分） 3.1 基于光纤光栅传感的旋转传动机械动态实时在线监测技术与系统 利用光纤光栅传感技术的特性，实现转子运行状态的非接触直接测量。 被测参量 宽带光源 光纤F-P 腔 测点1 测点2 测点3 测点n 波长 光 强 λ1 测点1 λ2 测点2 λ3 测点3 λn 测点n 光源波长
超声光栅测量声速
超声光栅测量声速 【实验目的】 1、初步了解声光调制的理论 2、了解并学习超声光栅声速仪的原理和使用 3、利用超声光栅声速仪测量超声波在水中的传播速度 【实验仪器】 WSG —1型超声光栅声速仪（信号源、液体槽、锆钛酸铝陶瓷片），分光计，测微目镜，低压汞灯 【实验原理】 当一束平面超声波在液体中传播时，其声压使液体分子作周期性变化，液体的局部就会产生周期性的膨胀与压缩，这使得液体的密度在波传播方向上形成周期性分布，促使液体的折射率也做同样分布，形成了所谓疏密波。在距离等于波长A 的两点，液体的密度相同，折射率也相同。 超声波在传播时，被液体槽面反射产生反射波，在一定条件下，前进波与反射波叠加会形成纵向的超声驻波。由于驻波的振幅可以达到单一行波的两倍，这样就加剧了波源与反射面之间液体的疏密化程度。此时，装置中的液体就等效为液体光栅。 当平行光沿垂直于超声波传播的方向通过上述液体光栅时，就会出现和平行光通过透射光栅的情形类似的衍射现象，类似于光栅，称为超声光栅。该现象称为超声致光衍射（声光效应）。 sin ,sin k k k L A K f φλφΔ== 其中k L 为衍射光谱零级至K 级的距离； f 为透镜的焦距（JJY 分光计170f mm =）。 所以超声波波长： sin k k k K K f f A L L λλλφ= ==Δ 超声波在液体中的传播速度：k f v A L λγ γ== Δ 式中γ为振荡器和锆钛酸铅陶瓷片的共振频率。k L Δ为相邻两条同色衍射条纹之间的距离。 【实验内容】 1、按分光计的调节方法调节好分光计（具体调节要求有哪些？） 2、将待测液体注入液体槽内，使液面的高度恰好与液体槽侧面的高度刻线相等。 3、将液体槽座卡在分光计载物台上，放置平稳后用螺钉锁紧。
光栅衍射特性研究
光栅衍射特性研究 陈锦（安庆师范学院物理与电气工程学院 安徽 安庆 246011） 指导教师：张杰 摘 要：本文根据惠更斯-菲涅耳原理计算推导了夫琅禾费衍射场下光栅衍射的光强分布公式，详细分 析了平面光栅衍射的特性，利用MA TLAB 软件进行了衍射图样的仿真，绘制了相应的衍射光强分布图，并结合理论公式讨论了光强随波长λ、缝宽b 、缝数N 以及光栅常数d 的变化情况。推导了光栅方程，并从光栅方程出发，对光栅衍射中的缺级现象、光栅的分辨率等问题进行了讨论。文章最后简单介绍了光栅在生产实际中的应用。 关键字：光栅，光栅衍射，光强分布，强度 1引言 衍射光栅作为一种优良的分光元件，在近代光谱仪中有广泛的应用，比如利用光栅衍射可以作为光谱 分析，测量光波的波长等[1-4]。光栅是一种具有高分辨本领的精密光学元件，它是由大量等宽等间距的平行狭缝构成的光学器件。一般常用的光栅是在玻璃片上刻出大量平行刻痕制成，刻痕为不透光部分，两刻痕之间的光滑部分可以透光，相当于一狭缝。精致的光栅，在1cm 宽度内刻有几千条乃至上万条刻痕。这种利用透射光衍射的光栅称为透射光栅，还有利用两刻痕间的反射光衍射的光栅，如在镀有金属层的表面上刻出许多平行刻痕，两刻痕间的光滑金属面可以反射光，这种光栅称为反射光栅。本文着重对平面光栅衍射特性做一些探究。 MATLAB 是一个集数值计算、图形处理、符号计算、数学建模、实时控制、动态仿真等诸多功能于一 身的数学应用软件[6]，在光学中得到广泛应用[7]。本文应用MATLAB 的数值计算和绘图功能，根据夫琅禾费衍射场的理论公式，计算得出光强分布矩阵并绘制出光强分布曲线及其衍射图样。 2 光的衍射理论 惠更斯原理[8]内容是：传播中的波面上任何一点都可以认为是一个新的次波源，由这些次波源发出的 次波是球面波，这些次波的公共包络面就是下一时刻的波面。法国物理学家菲涅耳根据叠加原理将惠更斯原理进一步具体化，并给出其数学表达式，即惠更斯—菲涅耳原理的数学表达式： dS r e Q U f C P U ikr S ??=)()()(θ （1） 此后，德国物理学家基尔霍夫从定态的亥姆霍兹方程出发，利用矢量场论中的格林公式，在kr>>1, 即r>>λ的条件下，导出了无源空间边值定解表达式： dS r e Q U i P U ikr S ??+-=)()cos (cos 21)(0θθλ （2） 他还提出了关于边界条件的假设，并进一步将衍射积分公式简化为[6]： dS r e Q U f i P U ikr S ??-=0)(),()(0θθλ （3） 此时衍射面积分只限于光孔面0s 。据此在傍轴条件下衍射积分公式为： dS e Q U r i P U S ikr ??- =0)()(0λ （4） 这便是光衍射场强的计算公式。
超声光栅
实验47 利用超声光栅测定液体中的声速 1921年法国物理学家布里渊（L.Brillouin 1889-1969）曾预言液体中的高频声波能使可见光产生衍射，1935年拉曼（C.V.Raman 1888-1970）和奈斯（Nath ）证实了布里渊的设想。 【实验目的】 1． 学习测量声速的一种方法 2． 了解超声光栅的衍射原理 3． 熟悉仪器调整 【实验原理】 众所周知，声波最显著的特征是它的波动性，它在盛有液体的玻璃槽中传播时，液体将被周期性压缩、膨胀，形成疏密波。声波在传播方向被垂直端面反射，它又会反向传播。当玻璃槽的宽度恰当时，入射波和反射波会叠加形成稳定的驻波，由于驻波的振幅是单一行波振幅的2倍，因而驻波加剧了液体的疏密变化程度，如图47-1所示。 描述声波有三个特征量：波长Λ，声速u ，频率ν。它们之间满足关系u ＝Λ*ν。一般我们事先知道声波频率ν，因此求声速实际上是求波长Λ。对于疏密波，波长Λ等于相邻两密部的距离。布里渊认为，一个受超声波扰动的液体很像一个左右摆动的平面透射光栅，它的密部就相当于平面光栅上的刻痕，不易透光；疏部就相当于平面光栅上相邻两刻痕之间的透光部 分，它就是一个液体光栅，或称超声光栅，超声波波长Λ正是光栅常数（a +b ）。从图47-2可知，平面光栅的左右摆动并不影响衍射条纹的位置，因为各级衍射条纹完全由光栅方程描述，而不是由光栅位置确定。因此当平行光沿着垂直于超声波传播方向通过受超声波扰动的液体时，必将发生衍射，并且可以通过测量衍射条纹的位置来确定超声波波长Λ，即 Λsin φ＝k λ （k =0,±1, ±2, …） 其中k 为衍射条纹的级次，φ为k 级条纹的衍射角，λ为平行光波长。当φ小于50时 Λ≈k λ / tg φ= k λ f / l k =λ f / l 1 =λ f /Δ l 其中f 为透镜的焦距，l k 为k 级条纹与0级条纹的距离，l 1为1级条纹与0级条纹的距离。由于单次测量随机误差较大，因此实验中常常进行多次测量，即测出各级衍射条纹的位置坐标，然后采用逐差法求出各级衍射条纹的平均间隔Δ l ，用Δ l 代替l 1。 (a 图47-2 平面透射光栅的衍射 图47-1 液体在不同时刻的疏密发布 t =3T t t =T t =T t =
超声技术在医疗方面的应用
超声技术在医疗方面的应用 超声技术在医疗方面的独特疗效已得到医学界的普遍认可，并越来越被临床重视和采用。国内外医学专家利用超声技术在治疗肢体软组织损伤、肢体慢性疼痛康复、肢体运动康复方面积取得了非常好的疗效，并把超声治疗拓展到中医科、骨科、外科、内科、儿科、肿瘤科、男科、妇产科等，在临床得以广泛应用，取得了满意的治疗效果。 机械 超声振动可引起组织细胞内物质运动，由于超声的细微按摩，使细胞浆流动、细胞震荡、旋转、摩擦、从而产生细胞按摩的作用，也称为“内按摩”这是超声波治疗所独有的特性，可以改变细胞膜的通透性，刺激细胞半透膜的弥散过程，促进新陈代谢、加速血液和淋巴循环、改善细胞缺血缺氧状态，改善组织营养、改变蛋白合成率、提高再生机能等。 温热 人体组织对超声能量有比较大的吸收能力，因此当超声波在人体组织中传播过程中，其能量不断地被组织吸收而变成热量，其结果是组织的自身温度升高。即内生热。超声温热效应可增加血液循环，加速代谢，改善局部组织营养，增强酶活力。一般情况下，超声波的热作用以骨和结缔组织为显著，脂肪与血液为最少。 理化 超声的机械效应和温热效应均可促发若干物理化学变化。 a.弥散作用：超声波可以提高生物膜的通透性，对钾，钙离子的通透性发生较强的改变。从而增强生物膜弥散过程，促进物质交换，改善组织营养。 b.触变作用：超声作用下，可使凝胶转化为溶胶状态。对肌肉，肌腱的软化作用，以及对一些与组织缺水有关的病理改变。如类风湿性关节炎病变和关节、肌腱、韧带的退行性病变的治疗。 c.空化作用：空化形成，或保持稳定的单向振动，或继发膨胀以致崩溃，细胞功能改变，细胞内钙水平增高。成纤维细胞受激活，蛋白合成增加，血管通透性增加，血管形成加速，胶原张力增加。 d.聚合作用与解聚作用：水分子聚合是将多个相同或相似的分子合成一个较大的分子过程。大分子解聚，是将大分子的化学物变成小分子的过程。可使关节内增加水解酶和原酶活性增加。 e.消炎，修复细胞和分子：超声作用下，可使组织PH值向碱性方面发展。缓解炎症所伴有的局部酸中毒。超声可影响血流量，产生致炎症作用，抑制并起到抗炎作用。使白细胞移动，促进血管生成。从而达到对受损细胞组织进行清理、激活、修复的过程。 临床应用编辑 软组织损伤及慢性疼痛 广泛用于软组织损伤及慢性疼痛的治疗。超声波的穿透力强，可轻易深入到体内10-15cm。提高治疗部位细胞膜的通透性、改善血液循环、促使细胞修复过程的发生和发展；同时，人体神经和体液系统对超声能的作用具有较强的敏感性，其形成的神经反射和体液反应，具有综合调节人体的机制，特别是对陈旧性损伤有特效，超声在传播时，超声能量的方向集中，具有独特的高能量特性。主要适应症：急、慢性软组织损伤、软组织慢性疼痛、颈椎病、腰椎间盘突出症、慢性腰肌劳损、风湿类关节炎、类风湿性关节炎、慢性血肿、慢性膝盖筋腱疼痛等 肢体康复
光栅尺特点和应用领域
光栅尺的适用领域:加工用的设备：车床、铣床、镗床、磨床、钻床、电火花机、线切割等测量用的仪器：投影机、影像测量仪、工具显微镜等也可对数控机床上刀具运动的误差起补偿作用配接PLC,用于各类自动化机构的位移测量. 光栅尺的改造优势: 1、机床改造总投资极少,与旧机床的残值相适应; 2、具有附机功能,能随时装卸,与其它机床通用 3、无其它装置的装调手续,便于维修; 4、操作工人易掌握,不经培训亦可使用.它主要用于改造各类车床、磨床、镗床，尤其是改造外圆磨和圆心磨，其成效更为显著。 5、进行大型机床数显改造后，可以降低了工人的劳动强度，节省了劳动力，提高工作效率，减少废品率，机械性能稳定可靠。 6、用途广泛：它不仅能用于铣床、钻床、镗床和车削加工的常规任务，还能为许多机床、测量设备和测试设备以及专用机床提供理想的解决方案，事实上它适用于所有手动机床。 我公司光栅尺的优势1、采用优质的PU材料制造出耐油、高弹性及抗老化胶封。由工程师精心设计出最佳的闭合角度和最适中的软硬度，保证最佳的密封性能和最少的磨擦阻力。 2、读数头滑动部分结构采用已被验证为最可靠耐用的五轴承设计，采用耐用的高精度五轴承系统设计，保证光学机械系统的稳定性，优异的重复定位性和高等级测量精度。 3、采用美国Honeywell公司的高效能AIGaAs红外线发光管为光源。讯号强而稳定，可靠性高。 4、弹簧的几何设计经过精确详细的力学模型分析，并采用高级德国制弹簧钢材制造。确保光学感应系统就是在高速的移动情下，仍能紧贴在光栅尺上无跳动地滑行。 最先进可靠的光学测量系统 u 读数头滑动部分结构采用已被验证为最可靠耐用的五轴承设计，保证光学感应系统能长期稳定地在光栅尺上畅顺滑行。 u 弹簧的几何设计经过精确详细的力学模型分析，并采用高级的德国制弹簧钢材制造。确保光学感应系统就是在高速的移动情况下，仍能紧贴在光栅尺上无跳动地滑行。 u 所有轴承均采用日本JIS规格P5等级高精度轴承，保证滑行畅顺，跳动量低，可靠耐用。 u 采用美国Hon eywell公司的高效能AIGaAs红外线发光管为光源。讯号强而稳定，可靠性极高. 我公司产品特点：： 1、先进的电子技术及个性化设计； 2、计数响应速度快，功能多； 3、直接在数显表上进行正弦、余弦、正切函数等函数计算； 4、可以在X和Y方向进行自动刀具补偿； 5、坚固耐用的合金外壳，不易刮伤，且美观大方； 6、电源和信号
超声波在水处理中的应用
超声波在水处理中的应用 摘要：介绍了超声波降解水体中污染物的降解原理。从超声的系统因素包括频率和声强；化学因素包括溶解气体、pH值、反应温度等的多个方面介绍了影响降解效率的因素，同时介绍了超声波在水处理中的应用及与其他相关技术联合使用的最新科研成果。 关键词：超声波；空化作用；水处理 1927年，美国学者Richards发现超声波有加速二甲基硫酸醋的水解和亚硫酸还原碘化钾反应的作用，这是超声辐照化学效应首次为人发现。直至80年代，声化学作为一门利用超声加速化学反应，提高化学反应速率的边缘学科兴起。九十年代初，国外才有报道用超声空化降解水体中有毒有机物的研究工作。近年来，在美国、日本、法国、加拿大和德国等大学实验室和研究所纷纷致力于超声空化降解有机污染物的研究。超声波是一种高频机械波，具有波长较短，能量集中，沿直线传播的特点。而超声波技术具有简便、高效、无污染或少污染的特点，是近年来发展的一项新型水处理技术。它集高级氧化、热解、超临界氧化等技术于一体，且降解速度快、能将水体中有害有机物转变成CO2 、H2O、无机离子或比原有机物毒性小易降解的有机物，因而在处理难生物降解有机污染物方面具有显著的优越性。 1. 超声机理 超声波指频率在15kHz以上的声波，在溶液中以一种球面波的形式传递，一般公认为频率范围在15kHz到1MHz的超声辐照溶液会引起许多化学变化。当一定强度的超声波在媒质中传播时，会产生力学、热学、光学、电学和化学等一系列效应。这些效应可归纳为下列三种基本作用： ①.机械作用。超声波是机械能量的传播形式，与波动过程有关，会产生线性效变的振动作用。超声波液体中传播时，其同质点位移振幅虽然很小，但超声引起的质点加质点位移振幅虽然很小，但超声引起的质点加速度却非常大。若20KHz、1W/平方厘米的超声波在水中传播，则其产生的声压幅值为173Kpa，这意味着声压幅值每秒种内要在正负173Kpa之间变化2万次，最大质点的加速度达144万米每二次方秒，大约为重力加速度的1500倍，这样激烈而快速变化的机械运动就是功率超声的机械振动效应。 ②.空化作用。超声波在液体媒质中传播时，当声强达到一定期强度，液体中声场作用区域形成局部的暂时负压，使液体中的微气泡生长、澎胀至突然破裂，导致气泡周围的液体中产生强烈的激波，形成局部点的高温高压，空化泡崩溃时，在空化泡周围极小空间内产生5000K的瞬态高温和约50mpa的应。，在空化泡周围极小空间内产生5000K的瞬态高温和约50mpa的高压，且温度冷却率达10的9次方k/s，并伴有强烈冲击波和时速达400Km的射流，就是超声空化效应。 ③.热作用。超声波在媒质中传播，其振动能量不断被媒质吸收转变为热能而使自身温度升高。声能不间断的吸收可引起媒质中的整体加热，边界外的局部
超声光栅测声速实验报告
西安理工大学实验报告 课程名称： 普通物理实验 专业班号： 应物091 组别： 2 姓名： 赵汝双 学号： 33 实验名称： 超声光栅测液体中的声速 实验目的 1. 了解超声光栅产生的原理。 2. 了解声波如何对光信号进行调制 3. 通过对液体（非电解质溶液）中的声速的测定，加深对其中声学和光学物理概 念的理解。 实验原理 1. 超声光栅 光波在介质中传播时被超声衍射的现象，称为超声致光衍射（亦称声光效应）。 超声波作为一种纵波在液体中传播时，超声波的声压使液体分子产生周期性变化，促使液体的折射率也相应的作周期性变化，形成疏密波。此时如有平行单色光沿垂直超声波方向通过这疏密相间的液体时，就会被衍射，这一作用，类似于光栅，所以叫超声光栅。 超声波传播时，如前进波被一个平面反射，会反向传播。在一定条件下前进波与反射波可以形成驻波。由于驻波小振幅可以达到单一行波的两倍，加剧了波源和和反射面之间的的疏密程度，某时刻，驻波的任一波节两边的质点都涌向这一点，使该节点附近形成密集区，而相邻波节处为质点稀疏处；半个周期后，这个节点附近的质点向两边散开形成稀疏区，而相邻波节处变为密集区。 在这些驻波中，稀疏区使液体的折射率减小，而压缩作用使液体折射率增加，在距离等于波长Ａ的两点，液体的密度相同，折射率也相等，如图（１）所示。 成绩 实验日期：2011年4月7日 交报告日期：2011年4月14日 报告退发： （订正、重做） 教师审批签字：
图（１） ２．超声光栅册液体中的声速 如图２(ａ)所示，在透明介质中，有一束超声波沿方向传播，另一束平行光垂直于 超声波传播方向( 方向)入射到介质中，当光波从声束区中出射时，就会产生衍射现象。 图２ 实际上由于声波是弹性纵波，它的存在会使介质(如纯水)密度在时间和空间上发生 周期性变化如图２(a)，即 02(,)sin()s z t Z A π ρρρω=+?- （１－１） 式中：z 是沿声波传播方向的空间坐标，ρ是t 时刻z 处的介质密度，0ρ为没有超声波存在时的介质密度，s ω叫是超声波的角频率，A 是超声波波长，ρ?是密度变化的幅度。因此介质的折射率随之发生相应变化，即
超声波技术在医疗上的应用
超声波技术及其应用报告超声波技术在医疗上的应用 硕士研究生： 学号： 学科： 报告日期：
超声波技术及其应用报告 摘要 频率高于可听声频范围（20KHZ以上）的机械波，称为超声波（ultrasonic)，简称超声。它方向性好，穿透能力强，易于获得较集中的声能，在水中传播距离远，可用于测距、测速、清洗、焊接、碎石、杀菌消毒等。在医学、军事、工业、农业上有很多的应用。本文主要介绍超声波技术在医疗上的应用。主要由超声波在医疗检测上的应用和超声波在治疗上的应用两部分组成。主要内容包括B超，彩超，超声全息影像技术，超声波手术刀，超声波碎石技术。文章论述了这些超声波技术的基本原理，相比于传统技术的优缺点，存在的局限和发展前景，以及超声波技术要突破的一些技术瓶颈和将来的发展方向。由于篇幅及理论基础有限，本文避免了难以理解的公式推导和证明，只是定性地，原理性地介绍了超声波在医疗上应用的这些技术。 关键词：超声检测；手术刀；超声全息影像技术；超声碎石；超声理疗 - -I
超声波技术及其应用报告 - - II 目录 摘 要 ....................................................................................................................... I 1.1 技术应用的领域 (3) 1.2 技术应用特点及原理 (3) 1.3 国内外情况分析 (6) 1.3.1 国外情况 (7) 1.3.2 国内情况 (7) 1.4 系统组成 (7) 结论 (10) 参考文献 (11)
超声光栅实验_
实验45 用超声光栅测定液体中的声速 声光效应是指光波通过受到超声波扰动的介质时发生衍射的现象，这种现象是光波与介质中声波相互作用的结果。由于超声波调制了液体的密度，使原来均匀透明的液体，变成折射率周期变化的“超声光栅”，当光束穿过时，就会产生衍射现象，由此可以准确测量声波在液体中的传播速度。 早在1921年布里渊（L.Brillouin）曾预言液体中的高频声波能使可见光产生衍射效应，十年后，P.J.W.德拜和F.W.西尔斯以及R.卢卡斯和P.Biquard 分别观察到了声光衍射现象。上世纪六十年代后，随着激光技术的出现以及超声技术的发展，使声光效应得到了广泛的应用。如制成声光调制器和偏转器，可以快速而有效地控制激光束的频率、强度和方向。目前，声光效应在激光技术、光信号处理和集成通讯技术等方面有着非常重要的应用。 【实验目的】 1. 了解超声致光衍射原理。 2. 用超声光栅测量液体中的声速。 【实验内容】 1. 了解声光效应的实验原理。 2. 学习利用超声光栅测量液体中的声速。 3. 学习光路准直的调节以及读数显微镜的使用方法 【实验仪器】 实验装置由超声信号源、低压钠灯、光学导轨、光狭缝、透镜、超声池、测微目镜以及高频连接线等组成。 【实验原理】 压电陶瓷片 （PZT ）在高频信号源所产生的交变电场的作用下，发生周期性 的压缩和伸长振动， 该振动在液体中的传播就形成超声波。超声波在液体中传播分为行波和驻波两种形式。当一束平面超声 波行波在液体中传播时，其声压使液体分子作周期性变化，液体的局部就会产生周期性的压缩与膨胀，使液体的密度在波传播方向上发生周期性的变化，形成所谓疏密波。液体密度的周期性变化，必然导致液体的折射率也做同样变化，如同一个相位光栅。此时若有平行光沿垂直于超声波传播方向通过液体时，平行光会被衍射。以上超声场在液体中形成的密度分布层次结构是以行波形式运动的，如果实验 z z 超声光栅实验光路图
光栅特性的研究
实验八 光栅特性的研究 衍射光栅是利用光的衍射原理使光波发生色散的光学元件．它由大量相互平行、等宽、等距的狭缝（或刻痕）组成．以衍射光栅为色散元件组成摄谱仪或单色仪是物质光谱分析的基本仪器之一，在研究谱线结构，特征谱线的波长和强度；特别是在研究物质结构和对元素作定性与定量的分析中有极其广泛的应用． 【实验目的】 1．进一步熟悉光学测角仪的调整和使用； 2．测量光栅的特性参数； 3．从测定钠灯和汞灯光谱在可见光范围内几条谱线的波长过程中，观测和研究光栅的衍射现象． 【实验原理】 1．光栅衍射 有大量等宽间隔的平行狭缝构成的光学元 件成为光栅．设光栅的总缝数为N ，缝宽为a ， 缝间不透光部分为b ，则缝距d = a + b ，称为光 栅常数．按夫琅和费光栅衍射理论，当一束平 行光垂直入射到光栅平面上时，通过不同的缝， 光要发生干涉，但同时，每条缝又都要发生衍 射，且N 条缝的N 套衍射条纹通过透镜后将完 全重合．如图1所示，当衍射角θ 满足光栅方程d sin θ = k λ（k = 0、±1、± 2、 …）时，任 两缝所发出的两束光都干涉相长，形成细而亮 的主极大明条纹． 2．光栅光谱 单色光经过光栅衍射后形成各级主极大的细亮线称为这种单色光的光栅衍射谱．如果用复色光照射，由光栅方程可知不同波长的同一级谱线（零级除外）的角位置是不同的，并按波长由短到长的次序自中央向外侧依次分开排列，每一干涉级次都有这样的一组谱线．在较高级次时，各级谱线可能相互重叠．光栅衍射产生的这种按波长排列的谱线称为光栅光谱． 评定光栅好坏的标志是角色散率和光栅的分辨本领． （1）λ ?ψd d =称为光栅的角色散率，由d sin ? = k λ 可知 k p d k d d cos ==λ?ψ （1） （2）根据瑞利判据，光栅能分辨出相邻两条谱线的能力是受限制的，波长相差Δλ的两条相邻的谱线，若其中一条谱线的最亮处恰好落在另一条谱线的最暗处，则称这两条谱线能 - 44 -