聲速測(cè)量中聲波衰減系數(shù)的測(cè)定研究

聲速測(cè)量中聲波衰減系數(shù)的測(cè)定研究實(shí)驗(yàn)者：常恒同組者姓名：頂峰指導(dǎo)教師：魯曉東【摘要】在做聲速測(cè)量實(shí)驗(yàn)中，捕捉極大P-Pv值時(shí)，隨著換能器的位移不難發(fā)現(xiàn)，聲波在發(fā)生衰減。文章根據(jù)聲速的測(cè)量實(shí)驗(yàn)中示波器信號(hào)隨著接收換能器的移動(dòng)而變化這一現(xiàn)象,就引起聲強(qiáng)衰減的原因及衰減的程度〔衰減系數(shù)〕進(jìn)行研究測(cè)量實(shí)驗(yàn)。【關(guān)鍵詞】換能器；聲波衰減；聲強(qiáng)衰減系數(shù)一、引言聲速測(cè)量利用的是駐波原理,在測(cè)量過程中,不難發(fā)現(xiàn)示波器中信號(hào)的極大值幅值會(huì)隨接收換能器移動(dòng)距離增加而減小。這說明入射波與反射波相干預(yù)形成的不是嚴(yán)格的駐波,其聲波傳播時(shí),有散射和其他損耗。本實(shí)驗(yàn)研究了聲波衰減,測(cè)量了聲波衰減系數(shù)。二、設(shè)計(jì)原理2.1衰減原因分析：我們知道機(jī)械波必須依靠彈性介質(zhì)進(jìn)行傳播。波速依賴于彈性介質(zhì)的性質(zhì)，特別是與介質(zhì)的物態(tài)有著密切的關(guān)系，譬如聲波在20℃空氣中傳播速度約為340m/s，而在在鋁中傳播的縱波速度約為5150m/s為們用體密度與該介質(zhì)中波傳播的速度!之積的大小來衡量是波疏介質(zhì)還是波密介質(zhì)：將乘積較大的介質(zhì)稱為波密介質(zhì)，較小的介質(zhì)稱為波疏介質(zhì)。于是機(jī)械波在不同介質(zhì)中傳播時(shí)，特別是在兩種不同介質(zhì)相接觸的界面上，可能會(huì)產(chǎn)生相位的突變。具體地說，機(jī)械波在波疏介質(zhì)向波密介質(zhì)界面上反射時(shí)，反射波出現(xiàn)相位的突變，也就是反射波比入射波的相位附加了π，相當(dāng)于附加了波程π/2，由于附加π/2的波程與減少π2.2衰減系數(shù)確實(shí)定：設(shè)衰減系數(shù)為，反射率為入射波：反射波：實(shí)驗(yàn)中測(cè)得兩者的疊加：下列圖演示的是當(dāng)距離為0.1時(shí)，這段空間內(nèi)，聲壓的分布。但實(shí)驗(yàn)只能測(cè)得N點(diǎn)的聲壓〔即幅度〕可以分析，在N點(diǎn)：極大值為，此時(shí)，極小值為，此時(shí)由聲強(qiáng)與聲壓的關(guān)系:〔1〕〔式中I表示聲強(qiáng)，Pmax為示波器測(cè)試出的有效聲壓，Z為空氣密度與空氣中音的乘積。其中聲壓是指相無聲時(shí)壓力的改變量；聲強(qiáng)是指單位時(shí)間通過單位面積的聲能量〕在聲波傳播時(shí),聲強(qiáng)衰減如下式所示:〔2〕〔式中I表示入射初始聲強(qiáng),Id為深入媒質(zhì)d距離處的聲強(qiáng)。為衰減系數(shù)〕式〔2〕用聲強(qiáng)級(jí)表示那么有:〔3〕〔式中為d點(diǎn)的聲壓有效值?？烧f明聲壓平方與距離d成指數(shù)關(guān)系〕對(duì)其兩邊取對(duì)數(shù)那么有：〔4〕〔式中為衰減系數(shù)，可看出聲壓對(duì)數(shù)的兩倍與衰減系數(shù)成線性關(guān)系〕令測(cè)得k組的極大值聲壓數(shù)值，作如上處理?！?〕式求得斜率即求得衰減系數(shù)。三、實(shí)驗(yàn)儀器聲速測(cè)量綜合實(shí)驗(yàn)儀,為FD2SV22型,示波器為GOS26021型,實(shí)驗(yàn)裝置示于圖1。圖1實(shí)驗(yàn)裝置四、實(shí)驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)頻率f=36980±4Hz,室溫T=11±1℃次數(shù)峰值距離(mm)峰值電壓(v)谷值距離(mm)谷值電壓(v)13.9603.7204.0000.22027.9203.5208.3000.200312.6802.82013.5000.180417.3202.46018.2000.140521.8801.86022.8000.130626.5601.58027.7200.120731.3201.44032.5000.115835.7801.36037.2600.100940.4601.32041.7000.0901045.1801.10046.3600.0801149.6400.98051.3800.0801254.4000.80055.8400.070表1實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)由表1中數(shù)據(jù)可以繪出如下駐波聲壓波形圖Y聲壓X距離圖2聲壓波形圖取其中極大值為研究數(shù)據(jù)〔極小值所表現(xiàn)做出的衰減十分不明顯，故舍棄〕，處理后數(shù)據(jù)表：次數(shù)峰值距離(mm)峰值電壓(v)2lnU13.9603.7202.62713.83827.9203.5202.51712.390312.6802.8202.0737.952417.3202.4601.8006.052521.8801.8601.2413.460626.5601.5800.9152.496731.3201.4400.7292.074835.7801.3600.6151.850940.4601.3200.5551.7421045.1801.1000.1911.2101149.6400.980(0.040)0.9601254.4000.800(0.446)0.640表2處理后數(shù)據(jù)從圖中可知,隨著聲波傳播的距離增加,聲壓平方作指數(shù)衰減。其衰減規(guī)律符合公式(3)。再由表1中數(shù)據(jù)繪出2LnU-d圖,根本上反映出聲強(qiáng)級(jí)與距離的關(guān)系,如圖4所示。圖42LnU2d關(guān)系圖由圖4可以看出,2LnU-d根本上顯示線性關(guān)系,符合公式〔4〕。經(jīng)Excel圖標(biāo)計(jì)算,其相關(guān)系數(shù)=0.9737斜率即聲強(qiáng)的衰減系數(shù)=0.0593dB/mm。。四、實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析通過對(duì)以上實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析計(jì)算,得出以下結(jié)論:非理想駐波聲強(qiáng)有衰減現(xiàn)象,約37kHz頻率聲波的衰減系數(shù)雖較小,卻是1MHz頻率聲波在水中的衰減系數(shù)的300倍左右,相當(dāng)于1MHz聲波在軟組織中的衰減系數(shù)。本實(shí)驗(yàn)可以豐富聲速測(cè)量的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。數(shù)據(jù)分析中，由于儀器的局限和測(cè)量級(jí)別相當(dāng)小，以至于極小值的測(cè)量值不能準(zhǔn)確的反映出聲波衰減的實(shí)際情況。根據(jù)科學(xué)數(shù)據(jù)的取舍方法，與實(shí)際情況差異較大的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，理應(yīng)結(jié)合理論情況對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行必要的取舍。因此在數(shù)據(jù)分析過程中，舍棄極小值的測(cè)量結(jié)果。但在繪制駐波聲壓波形圖時(shí)又利用