超聲波衰減系數(shù)的測量實驗報告

1、北 京 交 通 大 學大學物理實驗設計性實驗報告實驗題目 超聲波衰減系數(shù)的測量 學院 電氣工程學院 班級 學號 姓名 首次實驗時間 年 月 日超聲波衰減系數(shù)的測量實驗方案一、實驗任務：超聲波在介質(zhì)中傳播，聲波衰減與介質(zhì)的特性和狀態(tài)有關系，試用超聲聲速測定儀研究超聲波在空氣和液體（水）中的衰減系數(shù)，并研究超聲波的頻率與激勵電信號波型對超聲波在空氣和水中的衰減系數(shù)的影響。要求衰減系數(shù)測量誤差不大于5%。二、實驗要求： 1、參閱相關資料，了解超聲波換能器種類，特別是壓電式超聲換能器工作原理。了解超聲波在不同介質(zhì)中的傳播特性。2、熟悉超聲聲速測定儀和示波器的使用方法。3、采用兩種頻率的正弦波分別測試超

2、聲波空氣和液體（水）中的衰減系數(shù)，并確認數(shù)據(jù)結(jié)果的誤差符合設計要求。4、采用方波或脈沖波再分別測試超聲波空氣和液體（水）中的衰減系數(shù)，并確認數(shù)據(jù)結(jié)果的誤差符合設計要求。三、實驗方案：1、物理模型的確立：超聲波在損耗介質(zhì)中的準駐波效應超聲波發(fā)生器超聲波接收器反射面入射波反射波OX0X圖1.超聲波波束在空氣中的傳播和反射設產(chǎn)生超聲波的波源處于坐標系原點O，入射超聲波波束沿坐標系x軸方向傳播，其波動方程為： （1）反射波的波動方程為： （2）其中，為反射系數(shù)，為波的傳播系數(shù)，是介質(zhì)的衰減系數(shù)，是波矢。入射波和反射波在0區(qū)間疊加，其合成波的波動方程為：（3）合成波各點均作簡諧振動，其振幅分布為： （4

3、）如果利用超聲波接收器作反射面，則超聲波接收器收到的合成波振幅為: (5)因為超聲波發(fā)生器和接收器是由同一材料制成，所以有：（6）其中是信號發(fā)生器輸出電壓數(shù)值，U是示波器顯示電壓數(shù)值。設超聲波接收器在任意波峰位置處時，示波器顯示電壓數(shù)值為，則（7）令 （8）（9）則（7）式可以寫成：（10）利用直線擬合方法，可以測量超聲波在介質(zhì)中的衰減系數(shù)。2、實驗方法的比較與選擇（1）脈沖法測量超聲波衰減系數(shù)超聲波在媒質(zhì)中傳播時的衰減系數(shù)和聲速一樣, 是一個最基本的聲學量。有衰減時平面波動方程可以表示為:Pz和P0是相應于距聲源z 和z= 0 處的聲壓幅值,a是超聲波在媒質(zhì)中的衰減系數(shù)。由上式得:當P0=

4、e·Pz時, 總衰減量az = 1 奈培。所以a 的單位是奈培/米。如果用分貝表示,則規(guī)定P0= 10Pz 時, 總衰減量20 為分貝, 即所以考慮了衰減后, 可以寫出此時沿子軸的平面行波的表示式為:測量衰減系數(shù)的脈沖方法包括: 1移板法, 2多次反射法, 3比較法。（2）駐波法測量超聲波衰減系數(shù)換能器一端連接信號發(fā)射器作為超聲波發(fā)射端S1，一端作為接收端S2連接示波器。認為接收端聲強遵循下式，I0exp（-ad）， （）式中表示聲壓的衰減系數(shù)。將（1）式兩邊取對數(shù)后得到，lnIlnI0- 2ad 。（）測量示波器顯示的電壓max和對應的距離，由于max，將2lnU與d值依照（2）式

5、做最小二乘法，擬合出值。以S1為原點，S1-S2方向為正方向，建立軸。用P+和P-分別表示沿x軸正向和負向傳播的聲壓波。設S1表面的原始聲壓為P0，則S1發(fā)出的第一次正向波在接收探頭S2表面的聲壓為乘法擬合即可得到衰減系數(shù)。本文稱這種實驗方法為“簡單波法”。實際上，接收端得到的聲波是經(jīng)過S1和S2兩端無限次反射之后的和。一次正向波在S2處發(fā)生反射，形成負向波，鋁制壓電陶瓷片的聲壓反射率為0.99994。則一次負向波在S2處的聲壓為 （）一次負向波經(jīng)S1反射，形成二次正向波，到達S2處的聲壓為， 二次正向波在S2處反射，形成二次逆向波。S2得到的是無窮多個正向波和負向波的疊加。得到S2總聲壓為當

6、L=n/2（為整數(shù)）時，聲壓為極大值，設聲壓轉(zhuǎn)化成電壓系數(shù)為，有為了得到衰減系數(shù)，需把測出的max和值按照（）式關系作非線性擬合。3、儀器的選擇與配套空氣中衰減實驗裝置示意圖水中衰減實驗裝置圖四、實驗步驟（簡略）（1） 超聲波在損耗介質(zhì)中的準駐波效應其中，為反射系數(shù)，是介質(zhì)的衰減系數(shù)。因為超聲波發(fā)生器和接收器是由同一材料制成，所以有： 其中，是信號發(fā)生器輸出電壓數(shù)值，U是示波器顯示電壓數(shù)值。（2）換能器連接信號發(fā)生器作為超聲波發(fā)射端S1,一端作為接收端S2連接示波器。（3）分別測量多個峰值處的位置坐標和峰值電壓，記入實驗表格。（4）選擇合適形式擬合曲線，分析數(shù)據(jù)。五、實驗注意事項（1）衰減系數(shù)

7、的測量誤差不大于5%。（2）空氣中超聲波換能器的工作頻率在37 kHz 附近，液體中超聲波換能器的工作頻率在100kHz2MHz之間。六、參考文獻1.陳潔，蘇建新.聲速測量實驗有關問題的研究.物理實驗，2008,28（6）：31332.鄭慶華.聲速測量實驗的探討.大學物理，2007,26（9）：3133.3.胡險峰.駐波法測量聲速實驗的討論.物理實驗，2007,27（1）：36.4.李德葆,關于復模態(tài)理論的數(shù)學方法、物理概念及其與實模態(tài)理論的統(tǒng)一性.清華大學超聲波衰減系數(shù)的測量實驗報告 一、實驗目的：測量超聲波在空氣和水中的衰減系數(shù)，分析得到超聲波衰減系數(shù)與傳播距離的關系二、實驗原理：1、超聲

8、波在損耗介質(zhì)中的準駐波效應（詳見設計方案）2、產(chǎn)生超聲波的裝置有機械型超聲發(fā)生器（例如氣哨、汽笛和液哨等）、利用電磁感應和電磁作用原理制成的電動超聲發(fā)生器、以及利用壓電晶體的電致伸縮效應和鐵磁物質(zhì)的磁致伸縮效應制成的電聲換能器等。壓電效應的原理：某些電介質(zhì)在沿一定方向上受到外力的作用而變形時，其內(nèi)部會產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時在它的兩個相對表面上出現(xiàn)正負相反的電荷。當外力去掉后，它又會恢復到不帶電的狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱為正壓電效應。當作用力的方向改變時，電荷的極性也隨之改變。相反，當在電介質(zhì)的極化方向上施加電場，這些電介質(zhì)也會發(fā)生變形，電場去掉后，電介質(zhì)的變形隨之消失，這種現(xiàn)象稱為逆壓電效應，或稱為電致伸

9、縮現(xiàn)象。3、脈沖法、駐波法的測量原理（詳見設計方案）三、實驗過程：空氣中衰減實驗裝置示意圖水中衰減實驗裝置圖（1） 超聲波在損耗介質(zhì)中的準駐波效應其中，為反射系數(shù)，是介質(zhì)的衰減系數(shù)。因為超聲波發(fā)生器和接收器是由同一材料制成，所以有：其中是信號發(fā)生器輸出電壓數(shù)值，U是示波器顯示電壓數(shù)值。（2） 換能器連接信號發(fā)生器作為超聲波發(fā)射端S1,一端作為接收端S2連接示波器。（3） 分別測量多個峰值處的位置坐標和峰值電壓，記入實驗表格。（4）擬合曲線，分析數(shù)據(jù)，得出相應結(jié)論。四、實驗記錄：實驗一：數(shù)據(jù)頻率f =37.31 kHz ,幅值U=15 Vpp，室溫T = 27±1 條件下,在空氣中測量

10、示波器上聲壓波形極大時的峰值電壓和接收換能器的相應位置列于表一，表二。測量超聲波在空氣中衰減系數(shù)的實驗數(shù)據(jù)表一：看波形（空氣）次數(shù)12345678910距離(mm)3.558.2012.8917.5322.2626.8431.4936.1740.7545.45電壓(V)108.247.286.325.044.404.003.843.603.12次數(shù)111213141516171819距離(mm)50.0254.6659.3363.8168.5073.2282.4991.8196.39電壓(V)2.882.482.322.082.001.841.761.601.60表二：看李薩如圖形（空氣）次數(shù)

11、123456789距離(mm)3.558.2112.9017.5622.2626.8431.5036.1840.75電壓(V)9.848.247.126.165.204.404.003.843.60次數(shù)101112131415161718距離(mm)45.4650.0554.6859.3563.8468.5073.2678.0782.61電壓(V)3.042.722.482.162.041.841.761.601.60數(shù)據(jù)分析根據(jù)實驗記錄的數(shù)據(jù)，可以擬合出如下曲線：圖1、圖2，得到實驗所測的衰減系數(shù)。圖1.由波形得出的超聲波在空氣中的衰減率擬合曲線圖2.由李薩如得出的超聲波在空氣中的衰減率擬合

12、曲線結(jié)果分析：用實驗所測得全部數(shù)據(jù)擬合曲線，得到的超聲波在空氣中的衰減系數(shù)大約在dB/mm左右，經(jīng)查找文獻，發(fā)現(xiàn)所得結(jié)果與文獻所述的衰減系數(shù)比較吻合,但實驗誤差與測量的溫度和頻率等因素有關，仍需繼續(xù)實驗以求證。實驗二：數(shù)據(jù)頻率f =37.0 kHz ,幅值U=15 Vpp，室溫T = 27±1 條件下,在水中測量示波器上聲壓波形極大時的峰值電壓和接收換能器的相應位置列于表三，表四。測量超聲波在水中衰減系數(shù)的實驗數(shù)據(jù)表三：看波形（水）次數(shù)1234567距離(mm)20.0345.2764.399.5118.67141.71225.89電壓(V)20.416.48.66.47.28.81

13、2.4表四：看李薩如圖形（水）次數(shù)12345距離(mm)19.8144.1666.88100.03122.58電壓(V)20.817.210.46.47.2次數(shù)1011121314距離(mm)143.31162.74185.39208.58230.58電壓(V)8.86.06.85.612.4數(shù)據(jù)分析根據(jù)實驗記錄的數(shù)據(jù)，可以擬合出如下曲線：圖3、圖4，得到實驗所測的衰減系數(shù)。圖3.由波形得出的超聲波在水中衰減率擬合曲線圖4.由李薩如圖形得出的超聲波在水中衰減率擬合曲線結(jié)果分析：用實驗所測得全部數(shù)據(jù)擬合曲線，得到的超聲波在水中的衰減系數(shù)分別為dB/m，dB/m,與文獻所述的結(jié)果（dB/m）相比偏

14、大。實驗誤差除了與測量的溫度和頻率等因素有關，可能還受水中的氣泡的影響，為了得到更精確的結(jié)果，仍需繼續(xù)實驗以求證。實驗三：超聲波觸發(fā)源更改對超聲波衰減系數(shù)的影響（1）測量超聲波在空氣中的衰減系數(shù)（方波作為發(fā)射信號）這次實驗改用方波作為發(fā)射信號，測量了其幅度電壓與對應的位置坐標，再次得到超聲波在空氣中的衰減系數(shù)。數(shù)據(jù)在頻率f =36.91 kHz ,幅值U=15 Vpp，室溫T = 27±1 條件下,在水中測量示波器上聲壓波形極大時的峰值電壓和接收換能器的相應位置列于表五。實驗數(shù)據(jù)記錄表格表五：測量超聲波在空氣中衰減系數(shù)（方波作發(fā)射信號）次數(shù)12345678910距離（mm）2.747

15、.5412.3017.0321.7926.4731.2335.9240.6445.33電壓（V）86.966.485.684.724.244.163.683.283.12次數(shù)111213141516171819距離（mm）50.0554.7859.5564.1768.9673.6678.3782.9387.87電壓（V）2.882.482.402.242.2422.082.082.08數(shù)據(jù)分析根據(jù)實驗記錄的數(shù)據(jù)，可以擬合出如下曲線：圖5，得到實驗所測的衰減系數(shù)。圖5.超聲波在空氣中衰減率擬合曲線（方波信號）（2）測量超聲波在水中的衰減系數(shù)（正弦波作為發(fā)射信號）用正弦波作為發(fā)射信號，在頻率f=5

16、14kHz、幅值U=15Vpp下，測量示波器上聲壓波形極大時的峰值電壓和接收換能器的相應位置列于下表六。實驗數(shù)據(jù)記錄表格表六：測量超聲波在水中的衰減系數(shù)（正弦波發(fā)射信號）次數(shù)12345678910距離（mm）1.12.84.15.56.88.29.61112.914.1電壓（V）12.212.412.412.212.011.811.411.21110.8次數(shù)11121314151617181920距離（mm）16.017.118.019.621.32325.827.528.230電壓（V）10.710.610.310.310.210.210.210.29.89.8次數(shù)2122232425262

17、7282930距離（mm）31.232.534.63640.144.252.958.97694.9電壓（V）9.89.69.49.49.298.68.27.36.2數(shù)據(jù)分析根據(jù)實驗記錄的數(shù)據(jù)，可以擬合出如下曲線：圖6，得到實驗所測的衰減系數(shù)。圖6.超聲波在水中衰減率擬合曲線（正弦波信號）結(jié)果分析：按照相同的實驗原理，用方波、高頻正弦波作為發(fā)射信號，分別測量出超聲波在空氣中、水中的衰減系數(shù)，得到dB/mm，所得結(jié)果均與文獻所述較為吻合。dB/m,與文獻中的衰減值仍相差較大。水中測得的衰減率誤差較大，其中的原因可能包括發(fā)射探頭擴散角、探頭近場影響、水槽傳播距離太短、水中氣泡太多等，仍需進一步實驗以

18、求證。五、實驗所得結(jié)論：聲波在介質(zhì)中傳播時，隨著傳播距離的增加，能量逐漸衰減，其衰減的程度與聲波的擴散、散射及吸收等因素有關。其聲壓和聲強的衰減規(guī)律為： 式中：Px、Ix距聲源x處的聲壓和聲強；x聲波與聲源間的距離；a衰減系數(shù)，單位為Np/cm(奈培/厘米)。聲波在介質(zhì)中傳播時，能量的衰減決定于聲波的擴散、散射和吸收。在理想介質(zhì)中，聲波的衰減僅來自于聲波的擴散，即隨聲波傳播距離增加而引起聲能的減弱。散射衰減是指超聲波在介質(zhì)中傳播時，固體介質(zhì)中的顆粒界面或流體介質(zhì)中的懸浮粒子使聲波產(chǎn)生散射，其中一部分聲能不再沿原來傳播方向運動，而形成散射。散射衰減與散射粒子的形狀、尺寸、數(shù)量、介質(zhì)的性質(zhì)和散射粒子的性質(zhì)有關。吸收衰減是由于介質(zhì)粘滯性，使超聲波波介質(zhì)中傳播時造成質(zhì)點間的內(nèi)摩擦，從面使一部分聲能轉(zhuǎn)換為熱能，通過熱傳導進行熱交換，導致聲能的損耗。 六、實驗改進建議：1、