超声波衰减系数的测量实验报告.doc

北京交通大学大学物理实验设计性实验报告实验题目超声波衰减系数的测量学院 电气工稈学院班级 学号 姓名 首次实验时间—年—月—日超声波衰减系数的测量实验方案一、 实验任务：超声波在介质中传播，声波衰减与介质的特性和状态 有关系，试用超声声速测定仪研究超声波在空气和液体（水）中的衰减系数，并研究超声波的频率与激励电信号 波型对超声波在空气和水中的衰减系数的影响要求衰减 系数测量误差不大于5%二、 实验要求：1、 参阅相关资料，了解超声波换能器种类，特别是压电 式超声换能器工作原理了解超声波在不同介质中的传播 特性2、 熟悉超声声速测定仪和示波器的使用方法3、 采用两种频率的正弦波分别测试超声波空气和液体（水）中的衰减系数，并确认数据结果的误差符合设计要 求4、 采用方波或脉冲波再分别测试超 声波空气和液体（水）中的衰减系数，并确认数据结果的误差符合设计要 求三、实验方案：1、物理模型的确立：超声波在损耗介质中的准驻波效应超声波发生器反射波 反射面超声波接收器Xo X图1•超声波波束在空气中的传播和反射设产生超声波的波源处于坐标系原点 0,入射超声波波束沿坐标系x轴方向传播，其波动方程为：y入二Ao exp i t x反射波的波动方程为：y反二RAoexp i t x 2xo(2)其中，R为反射系数， k i为波的传播系数， 是介质的衰减系数，k —是波矢。

入射波和反射波在 0〜xo区间叠加，其合成波的波动方程y A exp i t x RA)exp i t x 2x0e"t Ae x coskx RAoe x 2x0 cosk x 2x0 i Aoe x sin kx RAoe x2x sink x 2x0(3)合成波各点均作简谐振动，其振幅分布为:2 x 2 2 x xA Ao e R e2 xn2 Re cos2k x xo12(4)如果利用超声波接收器作反射面，则超声波接收器收到的合成波振幅为：A Ao 1 R e x(5)因为超声波发生器和接收器是由同一材料制成，所以有:A u (6)Ao Uo其中Uo是信号发生器输出电压数值，U是示波器显示电压数值设超声波接收器在任意波峰位置处 Xi时，示波器显示电压数值为Ui ,贝yIn AAoIn 1RX(7)令y InAAoInUiUo(8)bIn 1R(9)则(7)式可以写成：ybX(10)利用直线拟合方法，可以测量超声波在介质中的衰减系数2、实验方法的比较与选择(1) 脉冲法测量超声波衰减系数超声波在媒质中传播时的衰减系数和声速一样 ，是一个最 基本的声学量有衰减时平面波动方程可以表示为：P j Pk" (t>Pz和P0是相应于距声源z和z= 0处的声压幅值,a是超声波在媒质中的衰减系数。

由上式得：GZ 1口亠户一 ⑵当P0= e Pz时，总衰减量az = 1奈培所以a的单位是奈培/米如果用分贝表示，则规定P0= 10Pz时，总衰减量 20为分贝,即所以1奈培^Z01og1^ = 8,685分贝考虑了衰减后，可以 写出此时沿子轴的平面行波的表示式为：P -戸建一叭-佃｛wt - K （3）测量衰减系数的脉冲方法包括：1移板法，2多次反射法，3 比较法2）驻波法测量超声波衰减系数换能器一端连接信号发射器作为超声波发射端 S1，一端作为接收端S2连接示波器认为接收端声强遵循下式，1= lOexp （- 2 ad） , （1）式中a表示声压的衰减系数将（1）式两边取对数后得 到，lnl = In IO- 2ad 2）测量示波器显示的电压 U max和对应的距离d, 由于U max^ 2x[,将2I nU与d值依照（2）式做最小二 乘法，拟合出a值以S1为原点，S1-S2方向为正方向，建立x轴用P+和P-分别表示沿x轴正向和负向传播的声压波设S1表面的原始声压为P0,则S1发出的第一次正向波在接收探头 S2表面的声压为卜 1 exp(—ct/)expt乘法拟合即可得到衰减系数 ao本文称这种实验方法为简单波法”。

实际上，接收端得到的声波是经过 S1和S2两端无限次反射之后的和一次正向波在S2处发生反射，形成负向波，铝制压电陶瓷片的声压反射率为r = 0.99994则一次负向波在S2处的声压为 1- r i (3)一次负向波经S1反射，形成二次正向波，到达S2处的声e亠 P扌=rsP0 expt- Surf )cxp(ia/ - 3ikd)・(4)压为， - _二次正向波在S2处反射，形成二次逆向波 ……°S2得到的是无穷多个正向波和负向波的叠加得到S2总声压为I门I I i + 2兔比1占｛-日/> ■./： -2r

2） 换能器连接信号发生器作为超声波发射端 S1,—端作为接收端S2连接示波器3） 分别测量多个峰值处的位置坐标 Xi和峰值电压Ui，记入实验表格4） 选择合适形式拟合曲线，分析数据五、 实验注意事项（1） 衰减系数的测量误差不大于5%2） 空气中超声波换能器的工作频率在 37 kHz附近，液 体中超声波换能器的工作频率在100kHz ―― 2MHz之间六、 参考文献1•陈洁，苏建新•声速测量实验有关问题的研究[J ]•物理实 验，2008,28 （6）: 31 — 33 .2.郑庆华.声速测量实验的探讨 [J].大学物理，2007,26（9）: 31— 33.3. 胡险峰.驻波法测量声速实验的讨论 [J ].物理实验，2007,27（ 1）： 3 — 6.4. 李德葆,关于复模态理论的数学方法、物理概念及其与实 模态理论的统一性.清华大学超声波衰减系数的测量实验报告一、实验目的：测量超声波在空气和水中的衰减系数 ，分析得到超声波衰减系数与传播距离的关系实验原理:1、超声波在损耗介质中的准驻波效应 A Ao 1 R e x （详 见设计方案）2、产生超声波的装置有机械型超声发生器 （例如气哨、汽笛和液哨等）、利用电磁感应和电磁作用原理制成的电 动超声发生器、以及利用压电晶体的电致伸缩效应和铁磁 物质的磁致伸缩效应制成的电声换能器等。

压电效应的原理：某些电介质在沿一定方向上受到外 力的作用而变形时，其内部会产生极化现象，同时在它的 两个相对表面上出现正负相反的电荷 当外力去掉后，它 又会恢复到不带电的状态，这种现象称为正压电效应当 作用力的方向改变时，电荷的极性也随之改变相反，当 在电介质的极化方向上施加电场，这些电介质也会发生变 形，电场去掉后，电介质的变形随之消失，这种现象称为 逆压电效应，或称为电致伸缩现象3、脉冲法、驻波法的测量原理（详见设计方案）发时徹能器氏方形水巒水中衰减实验装置图（1） 超声波在损耗介质中的准驻波效应A Ao 1 R e x其中，R为反射系数， 是介质的衰减系数因为超声波发生器和接收器是由同一材料制成，所以有：A UAo Uo其中Uo是信号发生器输出电压数值，U是示波器显示电压 数值2） 换能器连接信号发生器作为超声波发射端 S1,—端作 为接收端S2连接示波器3） 分别测量多个峰值处的位置坐标 x和峰值电压Ui， 记入实验表格(4) 拟合曲线，分析数据，得出相应结论四、实验记录：实验一：数据频率f =37.31 kHz ,幅值U=15 Vpp，室温T=27 ±1 C条件下，在空气中测量示波器上声压波形极大时 的峰值电压和接收换能器的相应位置列于表一，表二。

测量超声波在空气中衰减系数的实验数据表一：看波形(空气)次数12345678910距 离(mm)3.558.2012.8917.5322.2626.8431.4936.1740.7545.45电压(V)108.247.286.325.044.404.003.843.603.12次数111213141516171819距 离(mm)50.0254.6659.3363.8168.5073.2282.4991.8196.39电压(V)2.882.482.322.082.001.841.761.601.60表二：看李萨如图形(空气)次数123456789距离(mm)3.558.2112.9017.5622.2626.8431.5036.1840.75电压(V)9.848.247.126.165.204.404.003.843.60次数101112131415161718距离(mm)45.4650.0554.6859.3563.8468.5073.2678.0782.61电压(V)3.042.722.482.162.041.841.761.601.60数据分析根据实验记录的数据，可以拟合出如下曲线：图1、图2,得到实验所测的衰减系数超声波在空气中衰减系数(波形图) 5E 二 a 4046< (-0. 01993)*f_二3厂 31kHz幅值 U=15Vpp图1•由波形得出的超声波在空气中的衰减率拟合曲线O♦ f -37.31kHz itS^U-lBVpp8. (-CL 021 ilx)= a 9SO6图2•由李萨如得出的超声波在空气中的衰减率拟合曲线 结果分析：用实验所测得全部数据拟合曲线，得到的超声 波在空气中的衰减系数大约在 空气°.02dB/mm 左右，经查找文献，发现所得结果与文献所述的衰减系数比较吻合 ,但实验误差与测量的温度和频率等因素有关 ，仍需继续实验以求证实验二：数据频率f =37.0 kHz，幅值U=15 Vpp，室温T =27 ±1 C条件下，在水中测量示波器上声压波形极大时的峰 值电压和接收换能器的相应位置列于表三，表四。