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的測量學院電氣工程學院班級學號首次實驗時間年月日專業(yè)技術資料.超聲波衰減系數的測量實驗方案一、實驗任務：超聲波在介質中傳播，聲波衰減與介質的特性和狀態(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，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的影響。要求衰減系數測量誤差不大于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聲波空氣和液體（水）

2、中的衰減系數，并確認數據結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，并確認數據結果的誤差符合設計要求。三、實驗方案：1、物理模型的確立：超聲波在損耗介質中的準駐波效應專業(yè)技術資料.超聲波發(fā)生器反射面反射波超聲波入射波接收器OX 0X圖 1. 超聲波波束在空氣中的傳播和反射設產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：y入 =A 0 exp i tx（1）反射波的波動方程為：y反 =RA0 exp itx2x0（2）其中， R 為反射系數，ki為波的傳播系數，是介質的衰減系數， k2是波矢。入射波和反射波

3、在0 x0 區(qū)間疊加，其合成波的波動方程為：yA0 exp it xRA0 expi tx2x0i tA0 excos kxx 2x0cosk x2x0i A0 exsin kx RA0ex 2 x0sin k x 2x0eRA0e（ 3）合成波各點均作簡諧振動，其振幅分布為：R2e2 x x01A A0 e 2 x2Re 2 x0 cos2k x x02（4）專業(yè)技術資料.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 :A A0 1 R e x(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：A U （6）A0U0其中 U 0 是信號發(fā)生器輸出電壓數值，U 是示波器顯

4、示電壓數值。設超聲波接收器在任意波峰位置處xi 時，示波器顯示電壓數值為 U i ，則ln A A0ln 1 Rx （7）令y ln A A0ln U i U 0（8）bln 1R （9）則（ 7）式可以寫成：ybx （10）利用直線擬合方法， 可以測量超聲波在介質中的衰減系數。2、實驗方法的比較與選擇（1）脈沖法測量超聲波衰減系數超聲波在媒質中傳播時的衰減系數和聲速一樣,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:專業(yè)技術資料.Pz 和 P0 是相應于距聲源z 和 z= 0處的聲壓幅值 ,a是超聲波在媒質中的衰減系數。由上式得 :當 P0= e·Pz 時, 總衰減量 az

5、 = 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。 將（1）式兩邊取對數后得到，專業(yè)技術資料.lnI lnI0- 2ad。（）測量示波器顯示的電壓max和對應的距離，由于 max，將 2l

6、nU 與 d 值依照（ 2）式做最小二乘法，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。 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1 -r1（）一次負向波經S1 反射，形成二次正向波，到達S2 處的聲壓為，二次正

7、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 總聲壓為專業(yè)技術資料.當 L=n/2 （為整數）時，聲壓為極大值，設聲壓轉化成電壓系數為，有為了得到衰減系數，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專業(yè)技術資料.水中衰減實驗裝置圖四、實驗步驟（簡略）（1）超聲波在損耗介質中的準駐波效應xAA0 1R e其中， R 為反射系數，是介質的衰減系數。因為超聲波發(fā)生器和接收器是由同一材料制成，所以有：AU其中，A0U 0U 0 是信號發(fā)生器輸出電壓數值，U是示波器顯示電壓數值。（ 2）換能器連接信號發(fā)生

8、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xi 和峰值電壓 U i ，記入實驗表格。（4）選擇合適形式擬合曲線，分析數據。專業(yè)技術資料.五、實驗注意事項（1）衰減系數的測量誤差不大于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100kHz 2MHz之間。六、參考文獻1. 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. 慶華 . 聲速測量實驗的探討 . 大學物理，2007,26（9）：3133.3. 險峰 . 駐波法測量聲速實驗的討論 . 物理實

9、驗，2007,27 （1）：36.4. 德葆 , 關于復模態(tài)理論的數學方法、 物理概念及其與實模態(tài)理論的統(tǒng)一性 . 清華大學專業(yè)技術資料.超聲波衰減系數的測量實驗報告一、實驗目的： 測量超聲波在空氣和水中的衰減系數，分析得到超聲波衰減系數與傳播距離的關系二、實驗原理：1、超聲波在損耗介質中的準駐波效應見設計方案）xAA01R e（詳2、產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： 某些電介質在沿一定方向上受到外力的作用而變形時，其部會產生極

10、化現象，同時在它的兩個相對表面上出現正負相反的電荷。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，當在電介質的極化方向上施加電場，這些電介質也會發(fā)生變形，電場去掉后，電介質的變形隨之消失，這種現象稱為逆壓電效應，或稱為電致伸縮現象。3、脈沖法、駐波法的測量原理（詳見設計方案）專業(yè)技術資料.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）超聲波在損耗介質中的準駐波效應AA0 1R ex其中， R 為反射系數，是介質的衰減系數。因為超聲波發(fā)生器和接收器是由同一材料制成，所以有：專業(yè)技術資料.AUA0U0其中 U 0

11、是信號發(fā)生器輸出電壓數值，U 是示波器顯示電壓數值。（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xi 和峰值電壓 U i ，記入實驗表格。（ 4）擬合曲線，分析數據，得出相應結論。四、實驗記錄：實驗一： 數據頻率 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的實驗數據表一：看波形（空氣）次數12345678910距離 (mm)3.558.2012.8917.5

12、322.2626.8431.4936.1740.7545.45電壓 (V)108.247.286.325.044.404.003.843.603.12次數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：看薩如圖形（空氣）專業(yè)技術資料.次數123456789距離 (mm)3.558.2112.9017.5622.2626.8431.5036.1840.75電壓 (V)9.848.247.126.165.204.404

13、.003.843.60次數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數據分析根據實驗記錄的數據，可以擬合出如下曲線：圖 1、圖 2，得到實驗所測的衰減系數。圖 1. 由波形得出的超聲波在空氣中的衰減率擬合曲線專業(yè)技術資料.圖 2. 由薩如得出的超聲波在空氣中的衰減率擬合曲線結果分析：用實驗所測得全部數據擬合曲線，得到的超聲波在空氣中的衰減系數大約在空氣0.02 dB/mm左右，經查找文獻，發(fā)現所得結果與文獻所述的衰

14、減系數比較吻合, 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： 數據頻率 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的實驗數據表三：看波形（水）次數1234567距離 (mm)20.0345.2764.399.5118.67141.71225.89電壓 (V)20.416.48.66.47.28.812.4表四：看薩如圖形（水）次數12345距離 (mm)19.8144.1666.88100.03122.58電壓 (

15、V)20.817.210.46.47.2次數1011121314距離 (mm)143.31162.74185.39208.58230.58電壓 (V)8.86.06.85.612.4專業(yè)技術資料.數據分析根據實驗記錄的數據，可以擬合出如下曲線：圖 3、圖 4，得到實驗所測的衰減系數。圖 3. 由波形得出的超聲波在水中衰減率擬合曲線圖 4. 由薩如圖形得出的超聲波在水中衰減率擬合曲線結果分析：用實驗所測得全部數據擬合曲線，得到的超聲波在水中的衰減系數分別為水3.9 dB/m，水2.2 dB/m,與專業(yè)技術資料.文獻所述的結果（ 水 1.44 dB/m）相比偏大。實驗誤差除了與測量的溫度和頻率等因

16、素有關，可能還受水中的氣泡的影響，為了得到更精確的結果，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的影響（ 1）測量超聲波在空氣中的衰減系數 （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。數據在頻率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。實驗數據記錄表格表五：測量超聲波在空氣中衰減系數（方波作發(fā)射信號）次數12345678910距離（ mm）2.747.5412.3017

17、.0321.7926.4731.2335.9240.6445.33電壓（ V）86.966.485.684.724.244.163.683.283.12次數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數據分析根據實驗記錄的數據， 可以擬合出如下曲線： 圖 5，得到實驗所測的衰減系數。專業(yè)技術資料.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 （正弦波作為發(fā)射信號）用正弦波作為發(fā)射信號

18、，在頻率f=514kHz、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。實驗數據記錄表格表六：測量超聲波在水中的衰減系數（正弦波發(fā)射信號）次數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21

19、222324252627282930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數據分析根據實驗記錄的數據， 可以擬合出如下曲線： 圖 6，得到實專業(yè)技術資料.驗所測的衰減系數。圖 6. 超聲波在水中衰減率擬合曲線（正弦波信號）結果分析：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，得到 空氣 0.0167 dB/mm，所得結果均與文獻所述較為吻合。 水 7.1dB/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，仍需進一步實驗以求證。五、實驗所得結論：聲波在介質中傳播時，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：x0