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《陕西师范大学》 2008年
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液体表面波理论及其频率特性

鄢锐  
【摘要】: 表面波是传播能量集中于介质表面的一种弹性波。表面波沿介质界面传播,它携带大量的表面信息。因此,表面波的研究引起了越来越多的重视。与体相相比,液体表面无论在组成、结构、分子所处的能量状态,以及受力情况等方面都有差异,这些差异使液体表面具有某些特殊的性质,通过研究这些特性,可以获得液体的某些参数。 光学方法是研究物质性质的重要手段,它具有无损、非接触、实时快捷等特点。自上世纪60年代激光问世以后,激光就被用于研究表面波的性质。通过研究光在液体表面的反射、折射、干涉和衍射等行为,可以测得液体的某些参数,如折射率、接触角、表面张力等。该方法广泛应用于流体力学、海洋光学等领域。 本文正是利用光学方法来研究低频液体表面声波。研究的主要内容和结论如下: (1)介绍了表面波的分类及声表面波(SAW)技术的特点,重点讨论了现有各种声表面波的激光检测技术并分析了其优、缺点,并根据不同检测技术的特点,对今后表面波研究的思路给出了一些有用的提示: (2)从液体表面波的流体动力学方程出发,推导了液体表面波的一般特性,得出了表面张力和色散的重要关系。对于十几到几十赫兹的低频液体表面波,通过波动光学的干涉理论对其进行了阐述,并解释了实验中的特殊现象;当频率升至几十到几百赫兹时,液体表面波可以看作是一块位相型光栅,利用傅立叶光学对衍射光场、条纹分布和条纹半角宽度以及衍射条纹强度进行了分析,与实验现象进行了对比,实验结果和理论吻合; (3)利用数学物理方法的思想,将液体表面波的振动过程近似为一维无界空间中弦的受迫振动问题,推导了液体表面波频率和激发源频率的关系,并利用光子计数器实时测量了表面波的频率,实验结果和理论吻合较好。对于几十到几百赫兹的液体表面波,可以认为激发源的频率就是表面波的频率。该实验系统具有实时、非接触的特点,利用该系统可以对任一低频液体表面波频率的稳定性进行实时的监控。通过讨论,分析了影响表面波频率稳定性的因素,如实验环境条件、激发源自身稳定性和表面波振幅的大小;改善实验环境条件、使用更加稳定的激发源以及降低表面波振幅,可以使测量更加精确,这也为其他低频液体表面波实验提供了一定的参考。最后,测量了表面波的波长、波速和液体表面张力等参数,得到蒸馏水的表面张力为71.120×10~(-3)N/m,与公认值基本吻合。
【学位授予单位】:陕西师范大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2008
【分类号】:O436.1

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【参考文献】
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