低频液体表面波激光衍射条纹的特征及表面波物理参量的测量

论文摘要

液体表面无论组成、结构、分子所处的能量状态，还是受力情况等与体相相比，各方面都有差别，这些差别使得液体表面具有某些特殊的性质。而液体表面波蕴含着液体表面的一些性质，通过研究液体表面波，就可以获得液体的某些参数。液体表面波是沿着液体表面传播的一种弹性波。要获得液体及液体表面波的一些特性，就需要建立有效的测量方法。光学方法来探测物质的性质，它具有无损、非接触、实时快捷等特点，因此备受人们关注。自上世纪60年代激光问世以后，激光就被用于研究表面波性质。对于高频的表面波，绝大部分研究是建立在声波光衍射的基础上。根据声光衍射原理，如果表面波的频率越大，则引起的衍射光角分离越大，所以这类实验大多针对超声表面波进行。1979年，G．Weisbuch等人首次提出了利用液体表面波来实现光衍射，并以此建立了表面张力的光学测量方法。对于低频液体表面波，我们曾进行过专门的研究。在这些研究中，激光衍射法把表面波频率下延到几十赫兹。本文运用激光衍射法，研究低频液体表面波的特性。通过对低频液体表面波光衍射的分析，得到了衍射光场的分布和表面波之间的解析关系。根据这一关系，可以测量液体表面张力，表面波的波长、振幅等一些物理参量。本文的研究主要内容和结论如下：1．对表面波的分类进行了归纳，对表面波的声光效应进行了分析归类。光通过声场作用下的晶体的衍射效应可以分为两类：拉曼—奈斯衍射和布拉格衍射。声波场作用下晶体的拉曼—奈斯衍射现象，不但可以看到零级和一级条纹，而且可以高于一级的衍射条纹。布拉格衍射的特点是仅有零级和一级衍射光，其他各级的衍射光已不明显存在。2．由流体力学的动量守恒方程，推导出了牛顿流体的运动方程即纳维—斯托克斯方程（Navier-Stokes equation），简称N-S方程。由N-S方程，再根据低频液体表面波的回复力主要为面积力的特点，简化N-S方程，求解该方程，得到低频液体表面波的波动方程。由拉普拉斯公式出发，再利用势函数的性质，推导出液体的色散关系。3．低频液体表面波的激光衍射。对于频率高于几十赫兹的液体表面波，我们观察到了清晰的、对比度非常高的激光衍射条纹。在实验中观察到了衍射条纹的缺级，包括零级条纹的缺级，并且发现各级条纹的强度分布和表面波的振幅相关。运用傅里叶光学的理论对此衍射现象进行了分析，讨论了低频液体表面波激光衍射条纹的特征，并与实验现象进行对比，理论和实验吻合。4．液体表面波的检测和测量。测量表面波的方法需根据测量要求和表面波频段而定。我们利用表面波的激光衍射法对表面波进行了检测，测量了液体表面波的波长、振幅，液体样品的表面张力系数等。测试了油酸钠水溶液、乙醇水溶液、NaCl水溶液的表面张力与溶液浓度的关系，为表面活性剂的研究提供了一种光学实验方法。此外，还对液体表面波的衰减特性进行了测定，发现表面波的衰减系数具有色散效应，衰减系数随着表面波的频率增大而线性增大，并通过数学检验，这一规律成立。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 表面波及表面波的声光衍射效应
• 1.1 表面波及表面波的分类
• 1.1.1 液体表面波
• 1.1.2 固体表面波
• 1.2 声光效应
• 1.2.1 声光效应的概念
• 1.2.2 声光效应产生的原因
• 1.2.3 声光衍射效应的分类
• 1.2.4 拉曼—奈斯衍射
• 1.2.5 布拉格衍射
• 第二章 低频液体表面波的波动方程和液体的色散方程
• 2.1 低频液体表面波的波动方程
• 2.2 液体表面张力和色散的关系
• 第三章 低频液体表面波的光衍射效应及其衍射条纹的特征
• 3.1 低频液体表面波的光衍射实验
• 3.1.1 实验装置
• 3.1.2 实验现象
• 3.2 液体表面波光衍射的理论分析
• 3.3 低频液体表面波激光衍射条纹的特征
• 第四章 低频液体表面波物理参量的测量
• 4.1 液体表面波波长的测量
• 4.1.1 实验装置
• 4.1.2 表面波波长的测量
• 4.2 液体表面张力系数的测量
• 4.2.1 水的表面张力的测量
• 4.2.2 溶液表面张力和浓度之间关系的测定
• 4.3 液体表面波振幅的测量及其衰减特性的测定
• 4.3.1 液体表面波振幅的测量
• 4.3.2 液体表面波衰减特性的测定
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士期间的科研成果