Работа 72.1. Ультразвуковой интерферометр

Прежде чем приступить к работе, необходимо ознакомиться с введениями по темам "Интерференция и дифракция" и "Определение скорости ультразвука оптическими методами".

ЦЕЛЬ РАБОТЫ: определить скорость ультразвука в воде по дифракции света на стоячих волнах и рассчитать _из, _ад , C_V, и  для воды.

Постановка задачи

Рассмотрим прибор, называемый ультразвуковым интерферометром (см. рисунок). Он состоит из кюветы A с излучающей пластинкой пьезокварца Q, передвижного металлического рефлектора R и отсчетного устройства N. Рефлектор установлен параллельно кварцевой пластинке. Если заполнить кювету водой и возбудить в ней ультразвуковые волны, то волны отразятся от рефлектора и пойдут в направлении, противоположном начальному. При этом возникнут стоячие волны. В действительности имеет место более сложная картина, так как отраженная волна, дойдя до дна кюветы, отражается вторично и т.д. Таким образом, в каждый момент времени мы имеем дело с двумя группами волн, идущими в противоположных направлениях. Внутри каждой группы волны различаются по фазе, причем фаза отраженных волн зависит как от расстояния между излучателем и рефлектором, так и от кратности отражения. Такие различающиеся по фазе волны будут взаимно гасить друг друга. Исключение составляет тот случай, когда отраженная волна совпадает по фазе с падающей. Можно показать, что это происходит только тогда, когда высота h столба жидкости между дном и рефлектором в целое число раз превосходит половину длины волны звука

h=/2k . (1)

Эта формула определяет условие возникновения резонанса. В этом случае амплитуды падающей и отраженных волн складываются, что приводит к резкому возрастанию интенсивности результирующей стоячей ультразвуковой волны.

Если на такую кювету с жидкостью перпендикулярно направлению распространения звуковой волны падает плоская световая волна, то появление резонанса можно наблюдать визуально по усилению дифракционной картины. Действительно, когда справедливо соотношение (1) амплитуда колебания показателя преломления n в жидкости достигает максимального значения, и в этом случае мы видим максимальное число линий в дифракционной картине. Найдем положение рефлектора h₀, соответствующее наиболее четкой дифракционной картине, затем снова будем перемещать рефлектор. Следующее резкое усиление дифракции произойдет при смещении рефлектора на высоту h, равную половине длины звуковой волны

h,= /2, откуда  = 2h,.

Условимся называть усиление дифракции, соответствующее начальному положению рефлектора h₀, нулевым усилением; следующее наблюдаемое усиление  h₁ первым и т. д. Тогда из (1) в общем случае получаем

h = h_k  h₀ =k /2 или  = 2 (h_k  h₀ )/k. (2)

где k  номер k-го усиления, h_k  соответствующее ему положение рефлектора.

Если частота ультразвука , задаваемая генератором, известна, то, измерив h, можно вычислить скорость ультразвука в воде

U =  = 2 (h_k  h₀ )/k . (3)