最新超声波衰减系数的测量实验报告.doc

1、文档来源为:从网络收集整理word版本可编借欢迎下载支持.最新超声波衰减系数的测量实验 报告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程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%o二、实验要求：文档来源为:从网络收集整理.word版本可编借.欢迎下载支持.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

2、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1 1超声波L于末在宇&中的传插利丿乂射超声波入射波发生器攵的波源处于坐标系惊点0,入射超茹接收器反射而设Xo坐标系X刖传播，其波动方程为:(1)(2)=A0 expp(曲-反射波的波动方程为:y反=M)expp(dX + /(x-2X()其中，为反射系数，y = kia为波的传播系数，a是介质

3、的衰减系数，羊是波矢。 A为：y =人)exp p(6?r-/x) + 胚)exp/r =卩广 (3 )一次负向波经S1反射，形成二次正向波，到达S2处的声压为叫 exp(- Sad )cxp- Sikd) , (4 )二次正向波在S2处反射，形成二次逆向波。S2得到的当L=n X /2 （n为整数）时，声压为极大值，设声压转化成电压系数为k,有为了得到衰减系数a,需把测出的Umax和d值按照（7）式关系作非线性拟合。3、仪器的选择与配套空气中衰减实验装置示意图水中衰减实验装置图四、实验步骤（简略）（1）超声波在损耗介质中的准驻波效应其中，R为反射系数，&是介质的衰减系数。因为超声波发生器和接

4、收器是由同一材料制成，所以有：其中,5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兀和峰值电压S，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100kHz2MHz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）： 3133.2. 郑庆华.声速测量实验的探讨J .大学物理，2007

5、, 26（9）： 3133.3. 胡险峰.驻波法测量声速实验的讨论J .物理实验，2007, 27 （1）： 36.4. 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二、实验原理：1、超声波在损耗介质中的准驻波效应4 =人（1 + /?“皿（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

6、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）三、实验过程：空气中衰减实验装置示意图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

7、制成，所以有：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兀和峰值电压S，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二37. 31 kHz ,幅值U二15 Vpp,室温T二271 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12315678910距离（mm）3. 558. 2012.8917. 5322. 2626. 8431.4936. 1710. 7545.45

8、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123:56789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. 6

9、0次数10111213141516171S典离(mm)45. 4650.0554. 6859. 3563. 8168.5073. 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。图1.由波形得出的超声波在空气中的衰减率拟合曲线图2.由李萨如得岀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冷气= 2 dB/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

10、 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。文档来源为:从网络收集整理word版本可编借欢迎下载支持. 实验二：数据频率f =37. 0 kHz，幅值U二15 Vpp,室温T = 271 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。测量超声波在水中衰减系数的实验数据表三：看波形（水）曲线:次数12315距离（mm）19.8144. 1666. 88100. 03122. 58电压（V）20.817.210.46.47.2次数1011121314距离（mm）143. 31162. 74185. 39208. 58230. 58电压

11、（V）8.86.06.85. 612.4数据实根据的记录据，可以图3、图4,得到实验所测的衰减系数。分析次数123567距离(nun)20.0345. 2761. 399.5118. 67141. 71225. 89电压（V）20.416.48.66.47.28.812.4表四：看李萨如图形（水）图3.由波形得出的超声波在水中衰减率拟合曲线图4.由李萨如图形得岀的超声波在水中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，得到的超声波在水中的衰减系数分别为a水=3.9 JB/m a水=2.2dB/m,与文献所述的结果（藝idB/m）相比偏大。实验误差除了文档来源为:从网络收集整理.wor

12、d版本可编借.欢迎下载支持.与测量的温度和频率等因素有关，可能还受水中的气泡的 影响，为了得到更精确的结果，仍需继续实验以求证。实验三：超声波触发源更改对超声波衰减系数的影响（1）测量超声波在空气中的衰减系数（方波作为发射信号） 这次实验改用方波作为发射信号，测量了其幅度电压与对 应的位置坐标，再次得到超声波在空气中的衰减系数。数据在频率f =36.91 kHz，幅值U二15 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五。实验数据记录表格表五：测量超声波在空气中衰减系数（方波作发射信号）次数12345678910距离（mm）

13、2. 747. 5412. 3017. 0321.7926. 4731.2335. 9240. 6145. 33电压（V）86. 966. 485. 684.724244. 163. 683. 283. 12次数111213141516171819距离（mm）50. 0554. 7859. 5564. 1768. 9673.6678. 3782. 9387.87电压（V）2. 882. 482.402. 242.2422.082. 082. 08数据分析根据实验记录的数据，可以拟合出如下曲线：图5,得到实 验所测的衰减系数。图5.超声波在空气中衰减率拟合曲线（方波信号）（2）测量超声波在水中的

14、衰减系数（正弦波作为发射信号） 文档来源为:从网络收集整理.word版本可编借.欢迎下载支持.用正弦波作为发射信号，在频率f二514kHz、幅值 U=15Vpp下，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下表六。实验数据记录表格表六：测量超声波在水中的衰减系数（正弦波发射信号）次数12345678910距离（mm）1. 12.84. 15.56.88.29.61112.914. 1电压（V）12.212.412.412.212.011.811.411. 21110.8次数11121314151617181920距离（mm）16.017.118.019.621.32325

15、.827.528.230电压（V）10.710.610. 310. 310.210.210.210.29.89.8次数21222324252627282930距离（mm）31. 232.534.63640. 144.252.958.97694.9电压（V）9.89.69.49.49.298.68.27.36.2数据分析根据实验记录的数据，可以拟合出如下曲线：图6,得到实验所测的衰减系数。图6.超声波在水中衰减率拟合曲线（正弦波信号）结果分析：按照相同的实验原理，用方波、高频正弦波作为发射信号，分别测量出超声波在空气中、水中的衰减系数，得到住,气=0.0167 dB/mm,所得结果均与文献所述较

16、为吻合。=7.1dB/m,与文献中的衰减值仍相差较大。水中测得的衰减率误差较大，其中的原因可能包括发射探头扩散角、探头近场影响、水槽传播距离太短、水中气泡太多等,仍需进一步实验以求证。五、实验所得结论：声波在介质中传播时，随着传播距离的增加，能量逐渐 衰减，其衰减的程度与声波的扩散、散射及吸收等因素有 关。其声压和声强的衰减规律为： 式中：Px、lx距声源X处的声压和声强；X声波与声源间的距离；a衰减系数，单位为Np/cm（奈培/厘米）。声波在介质中传播时，能量的衰减决定于声波的扩散、 散射和吸收。在理想介质中，声波的衰减仅来自于声波的 扩散，即随声波传播距离增加而引起声能的减弱。散射衰 减是指超声波在介质中传播时，固体介质中的颗粒界面或 流体介质中的悬浮粒子使声波产生散射，其中一部分声能 不再沿原来传播方向运动，而形成散射。散射衰减与散射 粒子的形状、尺寸、数量、介质的性质和散射粒子的性质 有关。吸收衰减是由于介质粘滞性，使超声波波介质中传 播时造成质点间的内摩擦，从面使一部分声能转换为热能, 通过热传导进行热交换，导致声能的损耗。六、实验改进建议：1、在用实验所测得全部数据拟合曲线，得到相应的衰减 系数后，比较结果的误差，分