測量超聲波在空氣中的損耗系數(shù)

測量超聲波在空氣中的損耗系數(shù)摘要：本文在原有的超聲波實驗基礎之上，增加了測量超聲波的損耗系數(shù)；研究了超聲波頻率與損耗系數(shù)之間的關系，豐富了大學物理實驗教學內(nèi)容，拓展了學生視野。關鍵詞：超聲波；損耗系數(shù)；最小二乘法引言超聲波在日常生活中應用極為廣泛，比如超聲波測距，無損檢測等。而在大學物理實驗中，聲學實驗題目較少，一般大學物理實驗聲學部分只開設了超聲波在空氣中的傳播速度測定，而這個原理比較簡單，操作相對容易一些，導致實驗內(nèi)容在固定的課時內(nèi)不飽滿［1］；鑒于以上原因，在使用儀器不變的情況下，分別增加了測量超聲波的損耗系數(shù)，以及測量超聲波頻率與損耗系數(shù)之間關系的實驗內(nèi)容，豐富了大學物理實驗內(nèi)容，拓展學生視野。實驗原理超聲波發(fā)射器當它被超聲信號源的電信號激勵后由于逆壓電效應發(fā)生受迫振動，振動頻率與電信號激勵頻率相同，并向周圍空氣定向發(fā)出一近似平面波。超聲接收轉能器，它受迫振動后產(chǎn)生壓電效應輸出電信號，電信號的頻率與超聲波的振動頻率相同。當發(fā)射換能器和接收換能器兩個端面互相平行時，超聲波和回波在兩個端面之間產(chǎn)生干涉，形成駐波。超聲波和回波干涉以后合成以后，其合成波振幅為⑵:2吒+R2e2a(尸X。)+2Re%cos2*(X廣X。)] ⑴其中a超聲波在空氣介質(zhì)中的損耗系數(shù)，R為接收換能器的反射系數(shù)，％為超聲波傳播的距離，X。為回波的反射點，\為反射點回波振幅，A0為超聲波發(fā)射波振幅，k為波矢；由于接受信號在接收換能器端面處，回波反射點始終滿足x°=%；所以（1）就可以寫為：氣=A氣=A0(1+R)eax.(2)只要記錄一組振幅與傳播距離之間的關系就課測量損耗系數(shù)和反射系數(shù)；采用降階的方法，對（2）兩邊取對數(shù)就可以得到：ln■.=ln（1+R）+axA . （3）0可以通過標準的直線方程斜率和截距求得損耗系數(shù)。測量損耗系數(shù)在實驗過程中，觀測振幅使用的是示波器，振幅的幅度大小可以用幅度電壓來表示。（3）式就可以寫為：

(4)ln i—=ln(1+R)+ax.(4)根據(jù)（4）式，首先將發(fā)射器信號輸入示波器測量幅度電壓測量U。，測得U0=3.3V；采用超聲波頻率為fi=37196Hz；測到一組幅度電壓Ui和傳播距離xi的數(shù)據(jù)如表1所示;根據(jù)最小二乘法就可以得到損耗系數(shù)和反射系數(shù)。1 1單位：長度（mm）電壓（v）次數(shù)1234567x0.074.929.6614.4019.1223.9028.68U2.92.52.32.051.91.71.6lnU■■U-0.129-0.278-0.361-0.476-0.552-0.663-0.724XilnU"U-0.0009-1.368-3.487-6.854-10.554-15.846-20.764i 0(x.)20.004924.2093.32207.36365.58571.21822.54根據(jù)最小二乘法就可以得到損耗系數(shù)為:(5)八.x￡lnU.U-n8xlnU.U■4=^.=1 .——0 .——-=-0.02060(5)2-n辛2i■-5 0 5 ■-5 0 5 10 15 20 25 30Xii=1圖1LnUi/U0和傳播距離％的之間的關系測量損耗系數(shù)與超聲波頻率之間關系在上述實驗過程中，固定了超聲波的頻率，得到其損耗系數(shù)的關系，也可以通過這個實驗研究超聲波的頻率和損耗系數(shù)之間的關系。選擇不同超聲波頻率，將發(fā)射器信號輸入示波器測量幅度電壓U，測得U=3.3V；改變超聲波頻率為f=37296Hz；測到一組幅度電壓q和傳播距離％的數(shù)據(jù)。調(diào)整發(fā)射器輸出強度，測得信號輸入示波器的幅度電壓Uo=5.8V,取超聲波的頻率分別為f3=36941Hz、二=37100Hz、匚=37208Hz測量多組幅度電壓七和傳播距離Xj，根據(jù)（4）式，就可以得到LnUi/Uo和傳播距離％的之間的關系曲線，如圖1所示：用最小二乘法處理數(shù)據(jù)就得到其損耗系數(shù)分別為：a2=-0.01905、a3=-0.01997、a4=-0.01905、a5=-0.019980根據(jù)（2）式，可以得到幅度電壓Ui和傳播距離xi的關系曲線如圖2所示：圖2Ui和傳播距離xi的之間的關系結論通過這個實驗，可以看出當頻率變化不大時，不會影響超聲波在空氣中的損耗，也得到超聲波傳播距離和損耗之間的關系，反之就可以根據(jù)損耗的大小標定距離，在不同的介質(zhì)中，就可以實現(xiàn)超聲測距和超聲波無損探傷等應用。而且通過這個實驗也豐富大學物理聲學實驗，開拓了學生的視野，實驗過程中培養(yǎng)了學生勤于思索、勇于實踐的科學精神，提高了學生分析問題解決問題的能力。參考文獻.房曉勇.聲學實驗及部分聲學量的測量 物理實驗[J]第22卷.第1期20018-10；.牛原趙中齡騰永平成正維.超聲波專題實驗的設計與教學 大學物理實驗[J]第20卷.第3期200743-46；ThemeasurementoftheultrasonicLosscoefficientintheairFENGJun-qin(TheDepartmentoftheexperiment,GuangdongUniversityofTechnology,Guangzhou,guangdong510006,P.R.China)Abstract:Inthispaper,increasethemeasurementofthelosscoefficientbaseontheoriginalultrasonicexperiment;researchtherelationshipbetweenthefrequencyandthelosscoefficient;enrich