水聲學實驗報告

1、實驗聲壓級傳播衰減測量班級20210532學號2021053214姓名劉桂玉小組成員李珥2021053213劉桂玉2021053214曾騰2021053226齊園蕾2021053217指導教師成績實驗一聲壓級傳播衰減測量1、實驗目的在實驗室對自由球面波聲場中傳播衰減進行測量,掌握球面波衰減規(guī)律,掌握實驗數(shù)據(jù)處理分析方法.1.1、 實驗原理在自由球面波聲場中,沿球半徑方向,聲壓的振幅值滿足關(guān)系(AAp(r)一r式中,A為常數(shù),其值相當于r1m處的聲壓幅值,因此水聽器的輸出信號幅度在球面波聲場中隨它離球心的距離成反比衰減.對上式可以取對數(shù),得到聲壓級隨距離對數(shù)值的關(guān)系：SL2021g胃20logr

2、20logr0式中P01Pa,r.1mo由上式可見,右邊第一項為常數(shù),它表示聲源強度等于離源中央1m處得聲壓級.可見,在聲壓和距離的雙對數(shù)坐標系統(tǒng)中,上式為一直線,并且距離每增加一倍,聲壓級減少6dB.1.2、 實驗方法實驗在水箱內(nèi)進行,實驗中信號發(fā)射系統(tǒng)包括功率放大器、示波器、信號源、測量放大器、發(fā)射換能器、水聽器各一個,測量系統(tǒng)連接示意圖如圖1所示.圖1測量系統(tǒng)連接示意圖將標準水聽器裝在帶有距離刻度的掃描基陣架上.測量時由信號源發(fā)出單頻脈沖信號,經(jīng)功率放大器送入發(fā)射換能器,脈沖寬度應保證反射信號和直達波信號能夠隔離.聲波由標準水聽器接收,水聽器測量輸出信號送到測量放大器后,再通過示波器可以

3、直接讀取直達接收信號脈沖峰的值,排除反射脈沖信號池壁反射波影響.1.3、 實驗測量步驟如下：1連接實驗設(shè)備,并進行檢查,確認連接正確；2發(fā)射換能器和接收水聽器入水至適宜深度,保證標準水聽器測量時應與發(fā)射換能器同深度,發(fā)射換能器與水聽器之間的初始測量距離為0.2m；3調(diào)節(jié)測量功率放大器和示波器,觀測水箱內(nèi)噪聲信號；4根據(jù)實驗條件水箱尺寸、聲源諧振頻率設(shè)定發(fā)射信號中央頻率、脈寬等參數(shù),調(diào)節(jié)功率放大器,聲源發(fā)射脈沖信號.通過示波器觀察水聽器接收信號；5讀取直達接收信號脈沖峰的值,排除反射脈沖信號池壁反射波影響；6當對一個位置的數(shù)據(jù)測量完畢后,等間隔的逐次改變測量位置,觀察信號變化情況,讀取每個距離時

4、的輸出測量值,記錄數(shù)據(jù)；2、實驗數(shù)據(jù)處理2.1、傳播衰減根據(jù)聲壓隨球面波衰減及SL的定義式可得到SL的測量式如下SL(R)PL(R)20lg(R)201g電壓有效值203-20lg測放20lgR其中測量放大器的放大倍數(shù)為40dB,即201g測放40dB換能器與水聽器之間的測量距離R分別0.2m,0.3m,0.4m,0.5m,0.6m,0.7m,0.8m時測得的數(shù)據(jù)如下表所示測量跑離R(cnj)20lgRVpp峰峰值(V)幅值(V)PL(dB)SLdB20-13.9794000984175.0411998161.061799730-10.457574915.42.7171.6272753161.

5、169700440-7.9588001734.22.1169.4443859161.485585750-6.0205999133.61.8168.1054501162.084850260-4.4369749922.81.4165.9225607161.485585770-3.09803922.61.3165.278867162.180827880-1.938200262.21.1163.8278537161.88965342.1.2、傳播衰減曲線如下180PL衰減曲線175170165_PL(dB)160155024682.1.3、實驗圖片當距離為R=0.8m時,示波器所顯示的峰峰值為2.2V

6、,實驗圖片如下2.1.4、實驗誤差R2R3取其中R1=0.2m,R2=0.4m,R3=0.8m二個距離,其中R22,-R32,其聲壓級PLR1R2差值PL如下PLPL1=PL(R1)-PL(R2)PL2=PL(R2)-PL(R1)(dB)5.5968139325.616532192當傳播距離增加一倍時,PL的理論衰減值為6dB實驗誤差E1=6.72%E2=6.39%2.1.5、分析誤差產(chǎn)生的原因：讀取示波器上的峰峰值是通過數(shù)屏幕上的波形所占格數(shù)讀取,讀數(shù)存在一定誤差.在改變水聽器的距離R時,由于測量不準存在一定誤差發(fā)射換能器和接收水聽器在入水深度上有偏差,不能完全到達同一高度水箱受到外界干擾而

7、產(chǎn)生誤差改變距離后未等到水聽器完全靜止,造成讀數(shù)存在誤差2.2發(fā)射換能器的指向性固定兩水聽器之間的距離為0.8,m,旋轉(zhuǎn)發(fā)射換能器,使之在-600到600之間旋轉(zhuǎn),每隔10°測量一次,所得數(shù)據(jù)如下發(fā)射換能器角度(.)Vpp峰峰值(V)Vpp/Vpp(max)-600.340.154545455-500.50.227272727-400.90.409090909-301.20.545454545-201.60.727272727-1020.90909090902.211020.909090909201.60.727272727301.20.545454545400.80.3636363

8、641500.440.2600.220.12.2.1發(fā)射換能器指向性圖如下發(fā)射換百曙指向性圖3、思考題1、如何區(qū)分直達信號和反射信號？可根據(jù)接收換能器和目標之間的距離,算出反射波到達接收器的時間,再在示波器上對應的時間點找到的波即目標回波,一般來說目標回波比池壁反射波到達的時間更短.2、發(fā)射信號的脈沖寬度選取原那么是什么？防止邊界影響1(d2H2d)c1(.d2B2d)c11(Ld)c式中,L為水箱長度,B為水箱寬度,H為水箱深度,d為發(fā)射換能器和接收換能器之間的距離.換能器尺寸大于聲波長時,防止換能器之間的反射影響2d為與連續(xù)信號測量相比較,使換能器到達穩(wěn)態(tài)條件式中,Q為發(fā)射換能器的品質(zhì)因數(shù),fo為發(fā)射換能器的諧振頻率.為與連續(xù)信號測量相比較,使換能器各局部之間完成相互作用21c式中,1為沿聲波傳播方向上水聽器的尺寸.為保證聲信號不發(fā)生畸變,測試設(shè)備等帶寬應為:4、實驗總結(jié)通過該實驗,我了解了測量聲壓級的方法,即先通過水聽器將聲信號轉(zhuǎn)換成電信號,再通過測量放大器放大,并掌握了如何由測得的電壓轉(zhuǎn)換成聲壓的具體公式,由此可將電信號復原成聲信號,熟悉了聲一電一聲的轉(zhuǎn)換過程.同時我也驗證了聲波在自由場中按球面波衰減的規(guī)律,當聲波傳播距離