超声波衰减系数的测量-讲义及数据

1、超声设计性实验：超声波衰减系数的测量一、 实验 目 的： 测量超声波在空气和水中的衰减系数二、实验原理：超声波在损耗介质中的准驻波效应反射波反射面超声波发生器入射波超声波接收器XoX图1.超声波波束在空气中的传播和反射设产生超声波的波源处于坐标系原点Q入射超声波波束沿坐标系x轴方向传播，其波动方程为：y入=A o exp i t x反射波的波动方程为：y反=RA0 exp i t x 2x0其中，R为反射系数，k i为波的传播系数,(1)(2)是介质的衰减系数，k巳是波矢入射波和反射波在0x°区间叠加，其合成波的波动方程为：y A exp i t xRA（）exp i t x 2x0

2、i txx 25xx 2xoeAecoskxRA）ecosk x2x0i1Aoesin kxRA（）esin k x2x0（3）合成波各点均作简谐振动，其振幅分布为：1,AA0e 2 xR2e2x x°2Re 2x0 cos2kxx0(4)如果利用超声波接收器作反射面，则超声波接收器收到的合成波振幅为：A A° 1 R e x(5)因为超声波发生器和接收器是由同一材料制成，所以有：旦 U- (6)A° U°其中U°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Xi时，示波器显示电压数值为Ui, 则In %

3、76; In 1 R x (7)令y In % In %0(8)b In 1 R 则(7)式可以写成：y b x (1°)利用直线拟合方法，可以测量超声波在介质中的衰减系数。三、实验过程：接收换能器发射换能器长方形水槽图3,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制成，所以有:A Ua0&其中Uo是信号发生器输出电压数值，U是示波器显示电压数值。(2)分别测量多个峰值处的位置坐标 Xi和峰值电压Ui,记入实验表 格。(3)拟合曲线，分析数据。四、实验记录：数据频率f =37120 Hz ,

4、室温T = 27 ± 1 C条件下，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表 一，表二。表一：测量超声波在空气中衰减系数的实验数据次数123456789101112距离(mm)4.649.3814.1218.8123.5828.2833.0331.8242.3147.2352.0856.84电压(V)11.911.610.59.688.247.286.725.924.805.325.004.80次数131415161718192021222324距离(mm)61.5066.2570.8975.7080.4484.9989.7894.7199.66104.07

5、108.77113.5电压(V)4.804.684.684.244.404.003.963.723.003.403.403.24表二：测量超声波在水中的衰减系数的实验数据次数12345678910距离(mm)1416182022.5252729.53133电 压(V)1.431.331.311.311.171. 201.020.880.7680.704次数11121314151617181920距离(mm)36384042444649515355电压(V)0.60.520.540.530.440.520. 480.520.510.50次数21222324252627282930距离(mm)57

6、606264666870727477电压(V)0.500.500.480.480.490.460.490.490.500.49五、数据分析:(1)根据实验记录的数据，可以拟合出如下曲线，得到实验所 测的衰减系数。图3.超声波在空气中的衰减率拟合曲线图4.超声波在水中的衰减率拟合曲线(2)剔除一些误差较大的数据，再次拟合曲线，所得结果如下表三：数据调整(空气)次数12345678距离(mm)4.649.3814.1218.8123.5828.2833.0331.82电压(V)11.911.610.59.688.247.286.725.92次数1314151617181920距离(mm)61.50

7、66.2570.8975.7080.4484.9989.7894.71电压(V)4.804.684.684.244.404.003.963.72表四：数据调整(水)次数1314151617181920距离(mm)4042444649515355电压(V)0.540.530.440.520. 480.520.510.50次数2324252627282930距离(mm)6264666870727477电压(V)0.480.480.490.460.490.490.500.49图5,超声波在空气中衰减系数（数据调整后）图6,超声波在水中衰减系数（数据调整后）六、结果分析：如果用实验所测得全部数据拟合曲

8、线，则得到的超声波在空气中 的衰减系数=0.0ldB/mm与文献所述的结果相比偏小，而在水中所 测得的衰减系数 =l7.04dB/m,与文献所述结果相比则偏大；剔除掉空气中所测的后半部分数据，和水中所测的前半部分数据后，所得结果与文献所述的衰减系数比较吻合，空气0.02dB/mm,水i.44dB/m。 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。 七、设计性实验开设的设想：第一次课：学习如何测量声波衰减的方法，练习示波器使用方法， 比如自动手动测试电压等。试做一种介质(水或空气，分别开设8套), 得到声波衰减数据。要求记录实验温度，通过改变频率，在两个不同 频率下测试，分析频率对

9、声波衰减的影响。利用 7414实验室四台电 脑，用EXCEL1堂处理出数据，让老师检查。如果离正确值偏差太大， 要重做以确认数据的正确。第二次课：换另外一种介质进行衰减的测试。老师检查数据。第三次课：换波形比如方波或者脉冲波测量两种介质中的超声衰 减率。针对上两次课的数据问题，看是否需要重做实验。另外实验误差 与测量的温度和频率等因素有关，分析声波衰减测量偏差的原因。参考文献：1 .任隆良等，驻波法测量声速实验中的非完全驻波，大学物理实验， 2001,14(2) : 9102 .张庆，李卓凡，王小怀，声速测定实验中声强的综合衰减系数的测 定，大学物理实验，2005, 18(1): 25273

10、.房晓勇，声学实验及部分声学量的测量，物理实验，2001,22(1) :8lO超声波触发源更改对超声波衰减系数测定的影响（二）（1）测量超声波在空气中的衰减系数第二次实验我们用正弦波作为发射信号，重新测量并记录了 19 组实验数据，设定实验条件为发射器发射电压Uo 10V,频率 f 37.12 kHz,拟合出超声波在空气中的衰减曲线，得到衰减系数=0.02dB/mm结果和文献所述的衰减系数一致。我们接着改用方波 和锯齿波作为发射信号，进行了实验，并分别测量了方波在不同占空 比下的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。比较两次实验发现，用方波和锯齿波作为发射信号时得到的衰

11、 减系数与文献中所记录的结果一致。实验记录表格表一：测量超声波在空气中衰减系数的实验数据 （正弦波作发射信号）次数12345678距离（mm4.699.2414.0618.8323.6728.4233.2638.01电压（V）31.426.823.019.215.613.712.411.9次数910111213141516距离（mm42.9047.6652.3557.1261.9367.1371.4476.23电压（V）10.29.88.647.67.046.566.46.3表二：测量超声波在空气中的衰减系数（占空比30%f波作发射信号）次数12345678距离（mn>4.389.151

12、3.9418.6723.4628.2733.0537.81电压（V）32.4025.8019.6019.0015.0013.0011.8010.80次数910111213141516距离（mm42.6647.3552.1056.8361.6066.2571.1175.88电压（V）9.528.007.126.806.005.845.485.36表三：测量超声波在空气中的衰减系数（占空比50汾波作发射信号）次数12345678距离（mn>4.399.1613.9318.7423.5028.3233.1437.83电压（V）40.0031.6027.6023.6018.2015.8015.1

13、013.30次数910111213141516距离（mm42.6047.2952.0656.8461.6166.2171.1075.88电压（V）11.8010.609.528.407.507.126.906.80表四：测量超声波在空气中的衰减系数（占空比70%f波作发射信号）次数12345678距离（mm4.269.1514.0418.7223.5228.3033.0437.85电压（V）32.0026.6021.2019.2015.1013.0011.9010.30次数910111213141516距离（mm42.6147.3451.9356.7761.5866.2771.0275.94电

14、压（V）9.848.246.966.806.125.845.525.08表五：测量超声波在空气中的衰减系数（锯齿波作发射信号）次数12345678距离（mn>4.399.1914.0418.7123.5128.2933.1137.88电压（V）25.2020.8018.2014.0011.9010.009.047.80次数910111213141516距离（mm42.5347.2452.0156.7861.6366.3270.9975.77电压（V）7.506.645.965.164.524.524.284.20(2)测量超声波在水中的衰减系数用正弦波作为发射信号，在频率f=546kHz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。表六：测量超声波在水中的衰减系数(正弦波作为发射信号)次数12345678910距离(m)0.0050.01860.03210.04570.05920.07280.08630.09990.11340.1270