可视化声学实验内容的设计.pdf
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1、通过搭建反射式 型纹影光路实现了 超声波的可视化 利用该纹影光路设计了一系列关于声学内容的教学实验 这些内容可以直观、方便地对声学行波场的反射、衍射、准直以及一维、二维声学驻波场的力学效应进行演示探究也可以对声场及声学器件的相关参数进行定量测量 这些实验结合了光学、声学、力学等学科内容同时融入学科前沿应用丰富了目前大学物理实验中传统声学实验的内容关键词:纹影光学声速测量菲涅尔超声透镜声学格子声悬浮中图分类号:.文献标志码:./.大学物理实验投稿网址:/.声波是在弹性介质中传播的一种机械波其中频率高于 的超声波具有波长短易于定向发射、易被反射等优点被广泛应用于定位、探伤、显示、测距等领域 由于声
2、波场的传输与介质弹性模量、流体的密度、成分以及环境的温度等因素密切相关因此监测介质中声波场的相关参数如频率、波速、波长、声压衰减和相位等特别是声波波速(简称声速)的测量是声学应用技术中的一个重要内容 在目前的大学物理实验内容中声学实验内容主要是基于超声波的声速测量和结合声光介质的声光衍射与声光调制实验 上述实验中通过测量超声驻波的波长进而结合超声频率计算声速是实验的基本内容当声波在对可见光透明的液体、气体或者固体介质中传播时声波场将导致介质折射率空间分布的不均匀形成一种特殊的相位物体 由于人眼或常见的光探测器都只能辨别光强度的变化而无法判断其相位的变化因此也就不能“看见”相位物体 针对透明介质
3、中的声场分布目前纹 影 光 学 成 像 技 术 是 一 种 有 效 的 探 测 手段 纹影技术可以把介质中折射率分布转换为光强分布进而反映介质中的密度分布以及声波场的分布 目前已经有不少利用纹影技术进行声场成像的报道 这些工作中主要是利用两种纹影成像系统对声场成像 一种是基于透射式 系统的纹影系统另一种是基于 型光路(阴影法)的反射式纹影系统 上述两种纹影系统的搭建一方面需要较多的光学镜片另一方面光路搭建与调节较为复杂因此不方便在大学物理实验教学中实施 本文通过搭建 型光路的反射式纹影系统实现了 超声场的可视化 利用该装置提供的可视化超声场不仅可以非常简便地演示声波场的反射、衍射等现象而且可以
4、在可视化状态下定量测量声波速度、进行声波场调控如准直和构建一维、二维声学格子丰富了传统大学物理实验教学中声学实验的内容反射式 型纹影光路的设计与调试 反射式 型纹影光路示意图如图 所示.凹面反射镜焦距为 置于 处的白光 灯珠发出的光经过凹面镜反射后其像通过手机摄像头采集记录 超声发生器置于凹面镜前面图 超声场纹影可视化示意图白光 灯珠发出的光经过凹面镜反射后如果没有声波场那么这些光将聚集于 处如图中虚线描述 当凹面镜前有了声波场那么镜前不同区域的折射率将受到声场调制所以经过声场不同区域的光线将产生不同的聚焦区域如图中绿色和红色线条描述 手机摄像头镜头将对聚焦于空间不同区域的光线进行空间滤波导致
5、仅有部分光线能够通过镜头进入摄像头从而把超声场分布通过光强的不同灰度显示出来 这是实现纹影成像的关键 在传统的纹影系统中一般需要一个小孔或者尖锐的刀口进行滤波本文装置则由摄像头的镜头来实现这个滤波效果反射式 型纹影实验装置如图 所示 凹面反射镜的口径为 焦距 为 在凹面镜前安装固有频率为 的超声换能器(压 电 陶 瓷 超 声 换 能 器 直 径 长 度)实验中拍摄设备可以采用实验者的智能手机也可以用工业摄像头代替(图中使用了智能手机)双通道信号发生器(/)的通道()输出经过功率放大器(型号)驱动超声换能器通道()直接连接驱动 口径白光 小灯珠(电压根据所需亮度进行调节本实验固定电压为 )图 反
6、射式 型纹影实验装置 超声行波场的可视化及反射与衍射演示 调节手机摄像头位置以及光学放大倍率使得 光场均匀布满手机屏幕 通过双通道信号发生器分别驱动超声发生器和 可以在手机屏幕中获得超声场的图像如图()所示 将频闪频率设置为比超声波频率()低几赫兹可以在屏幕上看到超声波前进的影像而将频闪频率设置为比超声波频率()大几赫兹则可以在手机屏幕上看到声波在向后移动 上述现象对于学生理解行波是有趣且有启发性的 如果声波传输过程碰到适当介质如实验中超声发射器对着光学平台可以在手机屏幕上看到超声波从平台表面反射如图()所示 实验中利用两块光学白屏组装了一条约 的狭缝(图)将狭缝置于超声发射器前可以在手机屏幕
7、上看到超声场的衍射如图()所示大 学 物 理 实 验 年()()()()图 纹影超声场()超声场的反射()超声场中的狭缝()以及超声场的衍射()可视化条件下声场及声学器件参数的定量测量 根据声波的传播特性可知纹影光路中摄像头观察到的条纹间隔就是声波的波长 获得图()后可以利用常用图像处理软件如微软 附带的图片处理软件或者 软件中的标尺工具直接测量出图片中超声波发生器尺寸以及超声波间距 以图()为例图中超声发生器像素高度.(像素)超声场波节的平均间距.(像素)根据超声发生器实际高度.利用比例关系即可求出实际超声场的波节间距(也就是波长).由频率、波长 和声速 关系式 得出声速实验值./根据理论公
8、式()式子()中 为 .时的声速./(.)测量时实验室温度为计算可得声速理论值为./利用纹影图像测量得到的声速的相对误差为.目前在大学物理实验中声速测量主要以传统的驻波法、行波(相位比较)法、声光效应法为主本文通过直接对超声场的分布图像进行波长测量提供了一种简单、直观而且可靠的方法为声速测量教学内容提供一种补充声学材料是当下声学研究前沿最为活跃的领域它将一些光学、凝聚态物理等学科的概念引入声学并与人工结构设计巧妙地结合在一起为人们理解声场的性质调控声场的传播提供了新思路与新手段 在大学物理实验声学内容中引入声场调控的前沿内容不仅有利于增加学生的学习兴趣更有利于学生创新探究能力的培养 菲涅耳声透
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