溶液中溶質濃度及種類對超聲聲速的影響

陳余行

摘? 要：對氯化鈉、葡萄糖以及兩者混合溶液在超聲光柵中形成的光柵光譜進行了測量， 并運用線性回歸方法詳細研究了超聲波聲速與溶液濃度及溶質種類的關系，結果顯示3種溶液中聲速與濃度均為線性關系，且混合溶液中的聲速變化為另外兩種溶液中聲速變化之和。

關鍵詞：超聲光柵? 超聲波聲速? 溶液濃度? 線性關系

中圖分類號：O426 ? ?文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2020）01（b）-0070-02

超聲波在介質中傳播的速度與介質的彈性有關，因此介質的比重、濃度及溫度等物理量的變化對超聲聲速會有明顯的影響[1]，因此通過測量超聲波波速可以檢測介質的一些物理性質。雖然超聲檢測技術已成功地應用于工業在線檢測一些混合液液體濃度，并且達到了很高的精度，但到目前為止該方法一直未能得到大面積的推廣使用，其主要原因是聲速與不同溶質的關系不盡相同，導致可操作性降低。

該實驗采用WSG-I型超聲光柵聲速儀觀察測量不同溶液中超聲光柵的衍射光譜，由此計算得到超聲波在不同溶液中的傳播速度，并運用線性回歸方法詳細研究了超聲聲速與溶液濃度及溶質種類的關系。

1? 實驗原理

當一束平面超聲波在液體中傳播時，其聲壓會使液體的局部會產生周期性膨脹與壓縮，從而使液體的密度在波傳播方向上形成周期性分布，從而導致液體的折射率也做同樣分布，形成了所謂疏密波。同時當超聲波在傳播時，被液體邊緣的槽面反射產生反射波，一定條件下，前進波與反射波疊加會形成超聲駐波，這樣就加劇了波源與反射面之間液體的疏密化程度。此時，裝置中的液體就等效為液體光柵，稱為超聲光柵。

此時，當一束平行光沿垂直于超聲波傳播方向通過超聲光柵時，就會出現和平行光通過透射光柵的情形類似的衍射現象，該現象稱為超聲致光衍射。

由光柵方程推導可知，超聲波在液體中的傳播速度：

式中，λ為入射光的波長;f為透鏡的焦距;γ為振蕩器和鋯鈦酸鉛陶瓷片的共振頻率;△LK為相鄰兩條衍射條紋之間的距離。

2? 實驗內容及數據處理及分析

2.1 實驗儀器

WSG-1型超聲光柵聲速儀（信號源、液體槽、鋯鈦酸鉛陶瓷片）、JJY型分光計、低壓汞燈、測微目鏡、燒杯、攪拌棒、葡萄糖、氯化鈉、電子秤。

2.2 測量結果

實驗時，共振頻率γ=11.24MHz，透鏡焦距f=170mm，用汞燈光中的綠光（λ=546.07mm）測量了超聲波在不同的溶液濃度的氯化鈉溶液和葡萄糖糖溶液中傳播時形成的超聲光柵的衍射譜。實驗中溫度T=285K。表1為單一溶質溶液中超聲聲速的測量結果。

表2為兩種溶質同濃度混合溶液中的超聲聲速測量結果，表中濃度為任一種溶質的濃度。

2.3 實驗數據分析

（1）在兩種溶液中超聲波的波速都隨溶液濃度增加而單調遞增，并且均表現出良好的線性關系，在氯化鈉溶液中，波速與溶液濃度關系為：y=1888.27x+1316.58，在葡萄糖溶液中，波速與溶液濃度關系為：y=264.17x+1351.45。

（2）在較小的濃度范圍內，溶液濃度每升高0.01g/mL，超聲波在氯化鈉溶液中的波速提高18.88m/s，在葡萄糖溶液中提高2.64m/s，氯化鈉溶液濃度的改變對波速的影響更加明顯，這是因為氯化鈉溶液中離子的濃度增加要比葡萄糖溶液中大。

（3）在較小濃度范圍內，溶液濃度每升高0.01g/mL，超聲波在混合溶液中的波速提高21.30m/s，波速與溶液濃度關系為：y=2130.34x+1354.92。由此我們初步可以得出：在考慮到誤差的情況下，超聲波在混合溶液中的聲速增加量大致等于超聲波在氯化鈉溶液中的聲速增加量及在葡萄糖溶液中聲速增加量之和。

由文獻[2-3]可知，在電解質溶液（如氯化鈉溶液）中，隨著溶液濃度的增大，溶液中離子濃度會線性增多。而在非電解質溶液（如葡萄糖溶液）中，葡萄糖殘基是通過氧原子連結起來的，它可以和溶液中帶正電的氫離子結合，進而使氧原子連接的兩部分分離。這就導致在提高相同濃度的情況下，葡萄糖溶液中分子或離子的濃度增幅較小，而對于在溶液中傳播的超聲波來說，分子或離子的濃度是決定超聲波傳播速度的主要因素，因此電解質溶液濃度對超聲波波速的影響更加明顯。

當電解質溶液和非電解質溶液混合時，混合溶液中的聲速增加量等于在電解質溶液中的聲速增加量及在非電解質溶液中聲速增加量之和。因此，若要計算混合溶液中的聲速變化，只需分別計算出單溶質溶液中的聲速變化，即可求和得到混合溶液中聲速的變化。

3? 結語

實驗測量結果及分析表明，一定溫度下，在較小濃度下兩種溶質溶液中聲速隨溶液濃度的增加單調遞增，同濃度的混合溶質溶液在較小濃度范圍內聲速也隨溶液濃度的增加單調遞增，且混合溶液中聲速增加速度為兩種溶質溶液中聲速增加速度之和。線性擬合結果表明，3種溶液中聲速相對濃度的線性相關性都很高，確保了實驗結論的可靠性。

參考文獻

[1] 陳曉莉，王培吉.用超聲光柵測液體中聲速的理論與實驗研究[J].西南師范大學學報：自然科學版，2007，32（6）：135-138.

[2] 胥新，崔莎莎，郭芳芳，等.非電解質和電解質溶液中的超聲光柵衍射效應[J].物理實驗，2012，32（11）：7-12.

[3] 楊燕婷，王敏，周瑩，等.超聲光柵測量溶液中超聲聲速與濃度關系研究[J].實驗技術與管理，2011，28（7）：32-35.