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2021年超声波衰减系数的测量实验报告 2021年超声波衰减系数的测量实验报告 PAGE / NUMPAGES 2021年超声波衰减系数的测量实验报告 北 京 交 通 大 学 大学物理试验 设计性试验汇报 试验题目 超声波衰减系数测量 学院 电气工程学院 班级 学号 姓名 首次试验时间 年 月 日 超声波衰减系数测量试验方案 一、 试验任务: 超声波在介质中传输, 声波衰减与介质特征和状态相关系, 试用超声声速测定仪研究超声波在空气和液体（水）中衰减系数, 并研究超声波频率与激励电信号波型对超声波在空气和水中衰减系数影响。要求衰减系数测量误差小于5%。 二、 试验要求: 1、 参阅相关资料, 了解超声波换能器种类, 尤其是压电式超声换能器工作原理。了解超声波在不一样介质中传输特征。 2、 熟悉超声声速测定仪和示波器使用方法。 3、 采取两种频率正弦波分别测试超声波空气和液体（水）中衰减系数, 并确定数据结果误差符合设计要求。 4、 采取方波或脉冲波再分别测试超声波空气和液体（水）中衰减系数, 并确定数据结果误差符合设计要求。 三、 试验方案: 1、 物理模型确立: 超声波在损耗介质中准驻波效应 超声波 超声波 发生器 超声波 接收器 反射面 入射波 反射波 O X0 X 图1.超声波波束在空气中传输和反射 设产生超声波波源处于坐标系原点O, 入射超声波波束沿坐标系x轴方向传输, 其波动方程为: （1） 反射波波动方程为: （2） 其中, 为反射系数, 为波传输系数, 是介质衰减系数, 是波矢。 入射波和反射波在0～区间叠加, 其合成波波动方程为: （3） 合成波各点均作简谐振动, 其振幅分布为: （4） 假如利用超声波接收器作反射面, 则超声波接收器收到合成波振幅为: (5) 因为超声波发生器和接收器是由同一材料制成, 所以有: （6） 其中是信号发生器输出电压数值, U是示波器显示电压数值。 设超声波接收器在任意波峰位置处时, 示波器显示电压数值为, 则 （7） 令 （8） （9） 则（7）式能够写成: （10） 利用直线拟合方法, 能够测量超声波在介质中衰减系数。 2、 试验方法比较与选择 （1）脉冲法测量超声波衰减系数 超声波在媒质中传输时衰减系数和声速一样, 是一个最基础声学量。有衰减时平面波动方程能够表示为: Pz和P0是对应于距声源z 和z= 0 处声压幅值,a 是超声波在媒质中衰减系数。 由上式得: 当P0= e·Pz时, 总衰减量az = 1 奈培。所以a 单位是奈培/米。假如用分贝表示,则要求P0= 10Pz 时, 总衰减量20 为分贝, 即 所以考虑了衰减后, 能够写出此时沿子轴平面行波表示式为: 测量衰减系数脉冲方法包含: 1移板法, 2数次反射法, 3比较法。 （2）驻波法测量超声波衰减系数 换能器一端连接信号发射器作为超声波发射端S1, 一端作为接收端S2连接示波器。认为接收端声强遵照下式, Ｉ＝I0exp（-２ad）, （１） 式中ａ表示声压衰减系数。将（1）式两边取对数后得到, lnI＝lnI0- 2ad 。（２） 测量示波器显示电压Ｕmax和对应距离ｄ, 因为Ｕmax^２∝Ｉ, 将2lnU与d值依据（2）式做最小二乘法, 拟合出ａ值。 以S1为原点, S1-S2方向为正方向, 建立ｘ轴。用P+和P-分别表示沿x轴正向和负向传输声压波。设S1表面原始声压为P0, 则S1发出第一次正向波在接收探头S2表面声压为 乘法拟合即可得到衰减系数ａ。本文称这种试验方法为“简单波法”。实际上, 接收端得到声波是经过S1和S2两端无限次反射以后和。 一次正向波在S2处发生反射, 形成负向波, 铝制压电陶瓷片声压反射率为ｒ＝0.99994。则一次负向波在S2 处声压为 （３） 一次负向波经S1反射, 形成二次正向波, 抵达S2处声压为, 二次正向波在S2处反射, 形成二次逆向波……。S2得到是无穷多个正向波和负向波叠加。得到S2总声压为 当L=nλ/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Ｕmax和ｄ值根据（７）式关系作非线性拟合。 3、 仪器选择与配套 空气中衰减试验装置示意图 水中衰减试验装置图 四、 试验步骤（简略） 超声波在损耗介质中准驻波效应 其中, 为反射系数, 是介质衰减系数。 因为超