论文摘要：低频液体表面波各参量关系研究及不同作用条件下衍射图样的分析

用光学方法来研究表面波，来探测物质表面和物质内部的物理特性，一直是人们研究的问题之一。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。液体表面具有特殊的性质，要获得这些特性的信息，就需要建立测量液体表面参数的手段。在液体表面性质的测量方法中，光学测量法具有无损、实时和智能化特点，有很高的测量精度和可操作性。直到20世纪60年代，由于激光技术的迅速发展，表面波的光学探测方法才取得了较快的发展。但大多研究是针对固体表面波。对于液体表面波而言，由于气液界面上物理特性的复杂性，所进行的研究相对较少。直到1979年，G Weisbuck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。如何快速、无损的获取液体表面或内部的物理特性，在我们日常生产实践中占有很重要的地位。
本文运用非接触式光学测量手段，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物理参量之间的解析关系。根据这一关系，可以测量液体表面波的波长、表面张力、速度、振幅等一些物理参量，并进一步对表面波频率与波速的关系以及表面波表面张力与温度之间的关系进行了研究，并对不同作用条件下低频液体表面波对细激光束的衍射图样进行了分析。
本文研究的主要内容和结论如下：
1.在低频液体表面波光衍射的实验中，得到了清晰、稳定的、对比度极高的衍射条纹。实验中，表面波的频率从一百多赫兹到二百多赫兹，实验效果明显。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的光衍射图样的分析，得到了衍射光场分布和表面波之间的解析关系。以上述理论为基础，本文建立了一种新的低频液体表面波波长、表面张力、传播速度的测量方法，发现了表面波的传播速度与其振动频率有关，同时改变液体的温度，对低频液体表面波表面张力与温度之间的关系进行了实验研究，结果发现液体的表面张力随温度的增长近似成线性递减的关系。
2. 对于频率为几百赫兹的液体表面声波，我们不断增大表面波的振幅，观察到了各级衍射条纹的相对强度的变化。通过实验，观察到随着液体表面波振幅的增大，衍射图样零级的相对强度由强逐渐变弱直至消失然后又逐渐增强，一级衍射条纹的相对强度逐渐增强到达最大，之后逐渐变弱乃至消失，然后又缓慢增大；二级衍射条纹的变化和一级条纹强度的变化类似，只不过是落后于一级条纹的强度变化。当波的振幅满足一定的条件时，出现了衍射条纹带的零级缺级，继续增大表面波振幅，相应出现其它级条纹缺级。依据傅里叶光学原理对此衍射现象进行了分析，分析了衍射效应作用下的光强解析分布，条纹特征，并与实验现象进行了对比，理论和实验结果十分吻合。由于条纹的强度分布和表面波的振幅有关，由此建立了一种新的测量表面波振幅的方法。
3.对于频率为150 Hz的液体表面波，在保持所有条件不变的情况下，不断增大激光的入射角。通过实验我们观察到了各级条纹主极大之间的距离随入射角的变化而变化，当入射角增大时衍射条纹之间的距离也增大，当入射角减小时，衍射条纹之间的距离也减小。也就是衍射角随着入射角的变化而变化，与入射角的变化方向一致。此外，我们还测出了各级衍射条纹的强度随入射角的变化而变化的关系曲线，并与理论值进行了对比，发现理论和实验值结合的很好。

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