超聲波衰減系數(shù)測(cè)量實(shí)驗(yàn)報(bào)告_2097

1、北京交通大學(xué)大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)報(bào)告實(shí)驗(yàn)題目超聲波衰減系數(shù)的測(cè)量學(xué)院電氣工程學(xué)院班級(jí)學(xué)號(hào)姓名首次實(shí)驗(yàn)時(shí)間年月日超聲波衰減系數(shù)的測(cè)量實(shí)驗(yàn)方案一、實(shí)驗(yàn)任務(wù)：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(guān)系，試用超聲聲速測(cè)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(lì)電信號(hào)波型對(duì)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(cè)量誤差不大于5%。二、實(shí)驗(yàn)要求：1、參閱相關(guān)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(cè)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(cè)試超聲波空氣和液體（水）中的衰減系數(shù)

2、，并確認(rèn)數(shù)據(jù)結(jié)果的誤差符合設(shè)計(jì)要求。4、采用方波或脈沖波再分別測(cè)試超聲波空氣和液體（水）中的衰減系數(shù)，并確認(rèn)數(shù)據(jù)結(jié)果的誤差符合設(shè)計(jì)要求。三、實(shí)驗(yàn)方案：1、物理模型的確立：超聲波在損耗介質(zhì)中的準(zhǔn)駐波效應(yīng)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(shè)產(chǎn)生超聲波的波源處于坐標(biāo)系原點(diǎn) O，入射超聲波波束沿坐標(biāo)系 x 軸方向傳播，其波動(dòng)方程為：y入 =A 0exp itx（1）反射波的波動(dòng)方程為：y反 =RA0 expi tx 2x0（2）其中， R 為反射系數(shù)，ki為波的傳播系數(shù)，是介質(zhì)的衰減系數(shù)， k2 是波矢。入射波和反射波在0 x0 區(qū)間疊加，其合

3、成波的波動(dòng)方程為：yA0 exp it xRA0 exp i tx2x0i tA0 excoskxRA0ex 2x0cosk x2x0i A0 exsin kx RA0ex 2 x0sin k x 2x0e（ 3）合成波各點(diǎn)均作簡諧振動(dòng)，其振幅分布為：2 2 x x01（4）A A0 e2 x2Re2x0 cos2k x x02R e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?yàn)槌暡òl(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(hào)發(fā)生器輸出電壓數(shù)值，U 是示波器顯示電壓數(shù)值。設(shè)超聲波接收器在任意波峰位置處

4、xi 時(shí)，示波器顯示電壓數(shù)值為 Ui ，則ln A A0ln 1 Rx （7）令yln A A0 lnU iU 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(cè)量超聲波在介質(zhì)中的衰減系數(shù)。2、實(shí)驗(yàn)方法的比較與選擇（1）脈沖法測(cè)量超聲波衰減系數(shù)超聲波在媒質(zhì)中傳播時(shí)的衰減系數(shù)和聲速一樣,是一個(gè)最基本的聲學(xué)量。有衰減時(shí)平面波動(dòng)方程可以表示為:Pz 和 P0 是相應(yīng)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(dāng) P0= e·Pz 時(shí), 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

5、 , 則規(guī)定 P0= 10Pz 時(shí), 總衰減量20 為分貝, 即所以考慮了衰減后,可以寫出此時(shí)沿子軸的平面行波的表示式為:測(cè)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(cè)量超聲波衰減系數(shù)換能器一端連接信號(hào)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(rèn)為接收端聲強(qiáng)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(duì)數(shù)后得到，lnI lnI0- 2ad。（）測(cè)量示波器顯示的電壓max和對(duì)應(yīng)的距離，由于 max，將 2lnU 與 d 值依照（ 2）式做最小二乘法，擬合出值。以 S1 為原點(diǎn)， S1-S

6、2 方向?yàn)檎较颍?建立軸。用 P+和 P-分別表示沿 x 軸正向和負(fù)向傳播的聲壓波。 設(shè) 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(shí)驗(yàn)方法為 “簡單波法”。實(shí)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(fù)向波，鋁制壓電陶瓷片的聲壓反射率為 0.99994。則一次負(fù)向波在 S2-處的聲壓為1r1（）一次負(fù)向波經(jīng)S1 反射，形成二次正向波，到達(dá)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(gè)正向波和負(fù)向波的疊加。

7、得到 S2 總聲壓為當(dāng) L=n/2 （為整數(shù)）時(shí)，聲壓為極大值，設(shè)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(cè)出的max和值按照（）式關(guān)系作非線性擬合。3、儀器的選擇與配套空氣中衰減實(shí)驗(yàn)裝置示意圖水中衰減實(shí)驗(yàn)裝置圖四、實(shí)驗(yàn)步驟（簡略）（1）超聲波在損耗介質(zhì)中的準(zhǔn)駐波效應(yīng)xAA0 1R e其中， R 為反射系數(shù)，是介質(zhì)的衰減系數(shù)。因?yàn)槌暡òl(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(hào)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(hào)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(cè)量多個(gè)峰值處的位置坐標(biāo)xi 和峰值電壓

8、 U i ，記入實(shí)驗(yàn)表格。（4）選擇合適形式擬合曲線，分析數(shù)據(jù)。五、實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)（1）衰減系數(shù)的測(cè)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(xiàn)1. 陳潔，蘇建新 . 聲速測(cè)量實(shí)驗(yàn)有關(guān)問題的研究 . 物理實(shí)驗(yàn)， 2008,28 （6）：31332. 鄭慶華 . 聲速測(cè)量實(shí)驗(yàn)的探討 . 大學(xué)物理， 2007,26（ 9）：3133.3. 胡險(xiǎn)峰 . 駐波法測(cè)量聲速實(shí)驗(yàn)的討論 . 物理實(shí)驗(yàn)，2007,27 （1）：36.4. 李德葆 , 關(guān)于復(fù)模態(tài)理論的數(shù)學(xué)方法、 物理概念及其與實(shí)模態(tài)理論的統(tǒng)一性 .

9、 清華大學(xué)超聲波衰減系數(shù)的測(cè)量實(shí)驗(yàn)報(bào)告一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?測(cè)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(guān)系二、實(shí)驗(yàn)原理：1、超聲波在損耗介質(zhì)中的準(zhǔn)駐波效應(yīng)見設(shè)計(jì)方案）AA0 1R ex （詳2、產(chǎn)生超聲波的裝置有機(jī)械型超聲發(fā)生器（例如氣哨、汽笛和液哨等）、利用電磁感應(yīng)和電磁作用原理制成的電動(dòng)超聲發(fā)生器、以及利用壓電晶體的電致伸縮效應(yīng)和鐵磁物質(zhì)的磁致伸縮效應(yīng)制成的電聲換能器等。壓電效應(yīng)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(shí)，其內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時(shí)在它的兩個(gè)相對(duì)表面上出現(xiàn)正負(fù)相反的電荷。當(dāng)外力去掉后，它又會(huì)恢復(fù)到不帶電的狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱為正壓電效應(yīng)。當(dāng)作用

10、力的方向改變時(shí)，電荷的極性也隨之改變。相反，當(dāng)在電介質(zhì)的極化方向上施加電場(chǎng)，這些電介質(zhì)也會(huì)發(fā)生變形，電場(chǎng)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(yīng)，或稱為電致伸縮現(xiàn)象。3、脈沖法、駐波法的測(cè)量原理（詳見設(shè)計(jì)方案）三、實(shí)驗(yàn)過程：空氣中衰減實(shí)驗(yàn)裝置示意圖水中衰減實(shí)驗(yàn)裝置圖（1）超聲波在損耗介質(zhì)中的準(zhǔn)駐波效應(yīng)AA0 1R ex其中， R 為反射系數(shù)，是介質(zhì)的衰減系數(shù)。因?yàn)槌暡òl(fā)生器和接收器是由同一材料制成，所以有：AUA0U0其中 U 0 是信號(hào)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(hào)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(cè)量

11、多個(gè)峰值處的位置坐標(biāo)xi 和峰值電壓 Ui ，記入實(shí)驗(yàn)表格。（ 4）擬合曲線，分析數(shù)據(jù)，得出相應(yīng)結(jié)論。四、實(shí)驗(yàn)記錄：實(shí)驗(yàn)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(cè)量示波器上聲壓波形極大時(shí)的峰值電壓和接收換能器的相應(yīng)位置列于表一，表二。測(cè)量超聲波在空氣中衰減系數(shù)的實(shí)驗(yàn)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

12、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)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)45.4650.0554.6859.3563.8468.5073.2678.0782.6

13、1電壓 (V)3.042.722.482.162.041.841.761.601.60數(shù)據(jù)分析根據(jù)實(shí)驗(yàn)記錄的數(shù)據(jù)，可以擬合出如下曲線：圖 1、圖 2，得到實(shí)驗(yàn)所測(cè)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曲線結(jié)果分析：用實(shí)驗(yàn)所測(cè)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)大約在空氣0.02 dB/mm左右，經(jīng)查找文獻(xiàn)，發(fā)現(xiàn)所得結(jié)果與文獻(xiàn)所述的衰減系數(shù)比較吻合, 但實(shí)驗(yàn)誤差與測(cè)量的溫度和頻率等因素有關(guān)，仍需繼續(xù)實(shí)驗(yàn)以求證。實(shí)驗(yàn)二： 數(shù)據(jù)頻率 f =37.0 kHz ,幅值 U=15 Vpp，室溫 T =27±

14、1 條件下 , 在水中測(cè)量示波器上聲壓波形極大時(shí)的峰值電壓和接收換能器的相應(yīng)位置列于表三，表四。測(cè)量超聲波在水中衰減系數(shù)的實(shí)驗(yàn)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)20.416.48.66.47.28.812.4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)8.86.06.85.6

15、12.4數(shù)據(jù)分析根據(jù)實(shí)驗(yàn)記錄的數(shù)據(jù)，可以擬合出如下曲線：圖 3、圖 4，得到實(shí)驗(yàn)所測(cè)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(shí)驗(yàn)所測(cè)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)分別為水3.9 dB/m，水2.2 dB/m,與文獻(xiàn)所述的結(jié)果（ 水 1.44 dB/m）相比偏大。實(shí)驗(yàn)誤差除了與測(cè)量的溫度和頻率等因素有關(guān)，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(shí)驗(yàn)以求證。實(shí)驗(yàn)三： 超聲波觸發(fā)源更改對(duì)超聲波衰減系數(shù)的影響（ 1）測(cè)量超聲波在空氣中的衰減系數(shù) （方波作為發(fā)射信號(hào)）這次實(shí)驗(yàn)改用方波作

16、為發(fā)射信號(hào)，測(cè)量了其幅度電壓與對(duì)應(yīng)的位置坐標(biāo)，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(cè)量示波器上聲壓波形極大時(shí)的峰值電壓和接收換能器的相應(yīng)位置列于表五。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄表格表五：測(cè)量超聲波在空氣中衰減系數(shù)（方波作發(fā)射信號(hào)）次數(shù)12345678910距離（ mm）2.747.5412.3017.0321.7926.4731.2335.9240.6445.33電壓（ V）86.966.485.684.724.244.163.683.283.12次數(shù)111213141516171819距離（

17、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(shí)驗(yàn)記錄的數(shù)據(jù)， 可以擬合出如下曲線： 圖 5，得到實(shí)驗(yàn)所測(cè)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(hào)）（ 2）測(cè)量超聲波在水中的衰減系數(shù) （正弦波作為發(fā)射信號(hào)）用正弦波作為發(fā)射信號(hào)，在頻率f=514kHz、幅值U=15Vpp下，測(cè)量示波器上聲壓波形極大時(shí)的峰值電壓和接收換能器的相應(yīng)位置列于下表六。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄表格表六：測(cè)量超聲波在水中的衰減系數(shù)（正弦波發(fā)射信號(hào)）次數(shù)12345678910距離

18、（ 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)21222324252627282930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(shí)驗(yàn)記錄的數(shù)

19、據(jù)， 可以擬合出如下曲線： 圖 6，得到實(shí)驗(yàn)所測(cè)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(hào)）結(jié)果分析：按照相同的實(shí)驗(yàn)原理，用方波、高頻正弦波作為發(fā)射信號(hào)，分別測(cè)量出超聲波在空氣中、水中的衰減系數(shù)，得到 空氣 0.0167 dB/mm，所得結(jié)果均與文獻(xiàn)所述較為吻合。 水 7.1 dB/m, 與文獻(xiàn)中的衰減值仍相差較大。 水中測(cè)得的衰減率誤差較大， 其中的原因可能包括發(fā)射探頭擴(kuò)散角、探頭近場(chǎng)影響、水槽傳播距離太短、水中氣泡太多等，仍需進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)以求證。五、實(shí)驗(yàn)所得結(jié)論：聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)，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(kuò)散、散射及吸收等因素有關(guān)。其聲壓和聲強(qiáng)的衰減規(guī)律