液体中声传播疏密波可视化实验装置与实验方法

技术领域

本发明属于大学物理实验仪器技术领域，具体涉及一种声波在液体中传播可视化演示实验装置与演示实验方法。

背景技术

众所周知，声波是一种纵波，但声波具有不可视性。为了向学生演示声波的传播特性，一般采用连接在弹簧一端的低频振动源在弹簧上形成的螺距疏-密相间的周期性变化，演示声波在固体介质中的纵波传播图像，利用昆特管演示声波在气体介质中的纵波传播图像，并且均具有很好的演示效果。而声波在液体内部传播时，理论上认为液体密度会在时间和空间上形成疏-密相间的周期性变化,因此被称为疏密波，但是这种疏密波具有不可视性。尽管大学物理实验的重要内容之一--超声光栅，间接反映了超声驻波使水的密度在空间上出现了疏-密相间的周期性变化，但并不是在水中直接或者间接的观察到的，而是通过超声光栅对透射光的衍射条纹反推得到的，并且超声光栅的衍射条纹一般需要用测微目镜观察，肉眼难以看到，不能满足演示实验的要求。同时，超声光栅是光的透射衍射现象，仅能显示透明液体中的声光效应，对于非透明液体中超声驻波形成的密度上疏-密相间的周期性变化现象，无法直接或间接的观察。显然，学生无法通过超声光栅直观感受液体中超声驻波的波节或波腹与液体密度的“疏”或“密”的对应关系，不能满足学生直观探究液体中的声波传播特性的需求。因此，研制一种可实现透明液体和不透明液体中声传播疏密波的可视化实验装置，对于学生深刻理解声波在液体中的传播特性，面向公众普及相关知识，具有非常重要的意义。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种结构简单、操作方便、提高教学效率的液体中声传播疏密波可视化实验装置。

解决上述技术问题所采用的技术方案是：一种液体中声传播疏密波可视化实验装置，底座上设置有声传播实验槽和光学组件，所述声传播实验槽为长方体形，所述声传播实验槽的一长侧壁和两宽侧壁为矩形平板结构，另一长侧壁位置设置有三棱镜，三棱镜的三个侧面分别为声传播实验槽侧壁面、光入射面、光斑呈现面，光斑呈现面上设置有图像显示层，所述声传播实验槽的一宽侧壁中心设置有超声换能器；所述光学组件为第一支架上设置有激光器，第二支架上设置有菲涅尔透镜，菲涅尔透镜位于激光器光出射方向上，激光器发出的激光通过菲涅尔透镜变成平行激光束，从三棱镜的入射面进入，斜射在三棱镜的声传播实验槽侧壁面上，反射光在光斑呈现面的图像显示层上呈现光学图像。

作为一种优选技术方案，所述三棱镜的横截面为直角三角形，直角三角形的斜边所在面为声传播实验槽侧壁面，直角三角形短直角边所在面为光入射面，直角三角形长直角边所在面为光斑呈现面，所述三棱镜的光斑呈现面与声传播实验槽侧壁面之间的夹角β为20°～35°。

作为一种优选技术方案，所述光入射面上覆盖有遮光层，遮光层上开设有矩形的光入射窗口。

作为一种优选技术方案，所述激光器上设置有扩束镜。

作为一种优选技术方案，所述声传播实验槽超声换能器所在侧壁的内侧设置有吸声层。

作为一种优选技术方案，所述光斑呈现面上设置的图像显示层为白色油漆层。

一种液体中声传播疏密波可视化实验装置的实验方法，由以下步骤组成：

步骤1.在声传播实验槽中注满液体，开启激光器，调节第一支架或第二支架的位置，使激光器的出光口位于菲涅尔透镜的焦点处；

步骤2.菲涅尔透镜输出的平行激光束通过遮光层上的矩形光入射窗口进入三棱镜后，在三棱镜与声传播实验槽内液体的界面上形成折射和反射，从三棱镜的上方观察三棱镜与液体的界面上激光束的反射与折射情况，同步调节第一支架和第二支架，改变激光束在三棱镜与液体的界面上的入射角，使激光束刚好在三棱镜与液体的界面上发生全反射，此时三棱镜的光斑呈现面上的图像显示层上显示出亮度均匀的矩形光斑；

步骤3.开启超声换能器，调节超声换能器电源频率，同时观察三棱镜的光斑呈现面上图像显示层上光学图像的变化情况，当声传播实验槽内液体中形成超声驻波，即声传播实验槽内的超声驻波使液体的密度形成疏-密相间的周期性变化，相应的在三棱镜的光斑呈现面上的图像显示层上对应形成亮度强弱相间的光学图像，亮度高的区域，对应于声传播实验槽中超声驻波形成的疏密波中的波节区域，亮度相对较低的区域，对应于声传播实验槽中超声驻波形成的疏密波中的波腹区域，以此实现了声波在液体中传播疏密波的可视化。

本发明的有益效果如下：

本发明的声传播实验槽的一长侧壁为三棱镜，当声传播实验槽内液体中形成超声驻波时，水的密度呈现出疏-密相间的周期性分布，相应的三棱镜与液体界面反射的激光束投射在三棱镜的光斑呈现面上对应形成亮度强弱相间的光学图像，以此实现了声波在液体中传播疏密波的可视化。同时，由于反映液体密度变化信息的反射光不进入液体，即液体的透明度对实验结果没有影响，因此本发明不但可以直观演示透明液体中超声驻波形成的疏密波，还可以实现不透明液体中超声驻波形成的疏密波的可视化。

本发明结构简单、操作方便，能让学生直观明了的看到声波在液体中的传播特性，显著提高了教学效率。还可用于科技馆的科普展示。

附图说明

图1是本发明液体中声传播疏密波可视化实验装置的结构示意图。

图2是本发明液体中声传播疏密波可视化实验装置的俯视图。

图3是本发明实验原理示意图。

图4是本发明液体中超声驻波形成的光学图像。

其中：底座1、第二支架2、第一支架3、激光器4、菲涅尔透镜5、声传播实验槽6、三棱镜61、光斑呈现面611、声传播实验槽侧壁面612、光入射面613、吸声层7、遮光层8。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步详细说明，但本发明不限于下述的实施方式。

在图1、2中，本实施例的液体中声传播疏密波可视化实验装置包括底座1、声传播实验槽6、光学组件连接构成。声传播实验槽6为长方体形，声传播实验槽6内装有液体，声传播实验槽6的后长侧壁和两宽侧壁为矩形平板结构，前长侧壁位置设置有三棱镜61，三棱镜61横截面为直角三角形，其中直角三角形的斜边所在面为声传播实验槽侧壁面612，直角三角形短直角边所在面为光入射面613，光入射面613上覆盖有遮光层8，遮光层8上开设有矩形的光入射窗口，直角三角形长直角边所在面为光斑呈现面611，光斑呈现面611上喷涂有白色油漆层，作为图像显示层，三棱镜61的光斑呈现面611与声传播实验槽侧壁面612之间的夹角为20°～35°，声传播实验槽6的左宽侧壁内侧面上设置有泡沫状吸声层7、中心安装有超声换能器，超声换能器用于在声传播实验槽6内的液体中形成超声驻波。

光学组件包括第一支架3、第二支架2、激光器4、菲涅尔透镜5。第一支架3上安装有激光器4，第二支架2上安装有菲涅尔透镜5，菲涅尔透镜5位于激光器4光出射方向上，激光器4发出的激光通过菲涅尔透镜5变成平行激光束，由三棱镜61入射面613上遮光层8上的矩形光入射窗口进入，斜射在三棱镜61的声传播实验槽侧壁面612上，反射光在光斑呈现面611上的图像显示层上呈现出矩形光学图像。

本实施例的液体中声传播疏密波可视化实验装置由以下步骤组成：

步骤1.在声传播实验槽6中注满液体，开启激光器4，调节第一支架3或第二支架2的位置，使激光器4的出光口位于菲涅尔透镜5的焦点处；

步骤2.菲涅尔透镜5输出的平行激光束由遮光层8上的矩形光入射窗口进入三棱镜61后在三棱镜61与声传播实验槽6内液体的界面上形成折射和反射，从三棱镜61的上方观察三棱镜61与液体的界面上激光束的反射与折射情况，同步调节第一支架3和第二支架2，改变激光束在三棱镜61与液体界面上的入射角，使激光束刚好在三棱镜61与液体的界面上发生全反射，此时三棱镜61的光斑呈现面611上的图像显示层上显示出亮度均匀的矩形光斑；

步骤3.开启超声换能器，调节超声换能器电源频率，同时观察三棱镜61的光斑呈现面611上图像显示层上光学图像的变化情况，如图3，当声传播实验槽6内液体中形成超声驻波时，在超声驻波的波节处液体的密度最小，而在超声驻波的波腹处液体的密度最大，从波节到波腹液体的密度逐渐增大，从波腹到波节液体的密度逐渐减小；液体的密度减小的区域即波节附近液体的折射率小于无超声波作用时液体的折射率，入射到该区域的光在三棱镜61与液体的界面处全反射不变，相应的该区域的界面处反射到三棱镜61的光斑呈现面611上图像显示层上的光强度不变；而液体的密度增大的区域即波腹附近液体的折射率大于无超声波作用时液体的折射率，激光束在三棱镜61与液体的界面入射角不变的情况下，不能发生全反射，即在这一区域的液体中出现了折射光，相应的该区域三棱镜61与液体的界面处反射到三棱镜61的光斑呈现面611上的图像显示层上的光强度减弱,最后，实验水槽内的超声驻波形成的疏-密波，在三棱镜61的光斑呈现面611上的图像显示层上形成如图4所示的稳定且亮度强弱相间的光学图像，亮度高的区域，对应于声传播实验槽6中超声驻波形成的疏密波中的波节区域，亮度相对较低的区域，对应于声传播实验槽6中超声驻波形成的疏密波中的波腹区域，以此实现了声波在液体中传播疏密波的可视化。

本实施例的液体可以是透明液体，例如水，也可以是不透明的液体，例如水中加有墨汁的液体。