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(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)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(guān)系，豐富了大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，拓展了學(xué)生視野。關(guān)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(yīng)用極為廣泛，比如超聲波測距，無損檢測等。而在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中，聲學(xué)實(shí)驗(yàn)題目較少，一般大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)聲學(xué)部分只開設(shè)了超聲波在空氣中的傳播速度測定，而這個(gè)原理比較簡單，操作相對容易一些，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)內(nèi)容在固定的課時(shí)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(guān)系的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，豐富了大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，拓展學(xué)生視野。實(shí)驗(yàn)原理超聲波發(fā)射器當(dāng)它被超聲信號源的電信號激勵(lì)后由于逆壓電效應(yīng)發(fā)生受迫振動，振動頻率與電信號激勵(lì)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(zhuǎn)能器，它受迫振動后產(chǎn)生壓電效應(yīng)輸出電信號，電信號的頻率與超聲波的振動頻率相同。當(dāng)發(fā)射換能器和接收換能器兩個(gè)端面互相平行時(shí)，超聲波和回波在兩個(gè)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(diǎn)，\為反射點(diǎn)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(diǎn)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(guān)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(biāo)準(zhǔn)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(shí)驗(yàn)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(guān)系測量損耗系數(shù)與超聲波頻率之間關(guān)系在上述實(shí)驗(yàn)過程中，固定了超聲波的頻率，得到其損耗系數(shù)的關(guān)系，也可以通過這個(gè)實(shí)驗(yàn)研究超聲波的頻率和損耗系數(shù)之間的關(guān)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(qiáng)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(guān)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(guān)系曲線如圖2所示：圖2Ui和傳播距離xi的之間的關(guān)系結(jié)論通過這個(gè)實(shí)驗(yàn)，可以看出當(dāng)頻率變化不大時(shí)，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(guān)系，反之就可以根據(jù)損耗的大小標(biāo)定距離，在不同的介質(zhì)中，就可以實(shí)現(xiàn)超聲測距和超聲波無損探傷等應(yīng)用。而且通過這個(gè)實(shí)驗(yàn)也豐富大學(xué)物理聲學(xué)實(shí)驗(yàn)，開拓了學(xué)生的視野，實(shí)驗(yàn)過程中培養(yǎng)了學(xué)生勤于思索、勇于實(shí)踐的科學(xué)精神，提高了學(xué)生分析問題解決問題的能力。參考文獻(xiàn).房曉勇.聲學(xué)實(shí)驗(yàn)及部分聲學(xué)量的測量 物理實(shí)驗(yàn)[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(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)與教學(xué) 大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)[J]第20卷.第3期200743-46；ThemeasurementoftheultrasonicLosscoefficientintheairFENGJun-qin(TheDepartmentoftheexperiment,GuangdongUniversityofTechnology,Guangzhou,guangdong510006,P.R.China)Abstract:Inthispaper,increasethemeasurementofthelosscoefficientbaseontheoriginalultrasonicexperiment;researchtherelationshipbetweenthefrequencyandthelosscoefficient;enrich