声速测量中声波衰减系数的测定研究

声速测量中声波衰减系数的测定研究实验者：常恒同组者姓名：顶峰指导教师：鲁晓东【摘要】在做声速测量实验中，捕捉极大P-Pv值时，随着换能器的位移不难发现，声波在发生衰减。文章根据声速的测量实验中示波器信号随着接收换能器的移动而变化这一现象,就引起声强衰减的原因及衰减的程度〔衰减系数〕进行研究测量实验。【关键词】换能器；声波衰减；声强衰减系数一、引言声速测量利用的是驻波原理,在测量过程中,不难发现示波器中信号的极大值幅值会随接收换能器移动距离增加而减小。这说明入射波与反射波相干预形成的不是严格的驻波,其声波传播时,有散射和其他损耗。本实验研究了声波衰减,测量了声波衰减系数。二、设计原理2.1衰减原因分析：我们知道机械波必须依靠弹性介质进行传播。波速依赖于弹性介质的性质，特别是与介质的物态有着密切的关系，譬如声波在20℃空气中传播速度约为340m/s，而在在铝中传播的纵波速度约为5150m/s为们用体密度与该介质中波传播的速度!之积的大小来衡量是波疏介质还是波密介质：将乘积较大的介质称为波密介质，较小的介质称为波疏介质。于是机械波在不同介质中传播时，特别是在两种不同介质相接触的界面上，可能会产生相位的突变。具体地说，机械波在波疏介质向波密介质界面上反射时，反射波出现相位的突变，也就是反射波比入射波的相位附加了π，相当于附加了波程π/2，由于附加π/2的波程与减少π2.2衰减系数确实定：设衰减系数为，反射率为入射波：反射波：实验中测得两者的叠加：下列图演示的是当距离为0.1时，这段空间内，声压的分布。但实验只能测得N点的声压〔即幅度〕可以分析，在N点：极大值为，此时，极小值为，此时由声强与声压的关系:〔1〕〔式中I表示声强，Pmax为示波器测试出的有效声压，Z为空气密度与空气中音的乘积。其中声压是指相无声时压力的改变量；声强是指单位时间通过单位面积的声能量〕在声波传播时,声强衰减如下式所示:〔2〕〔式中I表示入射初始声强,Id为深入媒质d距离处的声强。为衰减系数〕式〔2〕用声强级表示那么有:〔3〕〔式中为d点的声压有效值。可说明声压平方与距离d成指数关系〕对其两边取对数那么有：〔4〕〔式中为衰减系数，可看出声压对数的两倍与衰减系数成线性关系〕令测得k组的极大值声压数值，作如上处理。〔4〕式求得斜率即求得衰减系数。三、实验仪器声速测量综合实验仪,为FD2SV22型,示波器为GOS26021型,实验装置示于图1。图1实验装置四、实验测量数据频率f=36980±4Hz,室温T=11±1℃次数峰值距离(mm)峰值电压(v)谷值距离(mm)谷值电压(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实验数据由表1中数据可以绘出如下驻波声压波形图Y声压X距离图2声压波形图取其中极大值为研究数据〔极小值所表现做出的衰减十分不明显，故舍弃〕，处理后数据表：次数峰值距离(mm)峰值电压(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处理后数据从图中可知,随着声波传播的距离增加,声压平方作指数衰减。其衰减规律符合公式(3)。再由表1中数据绘出2LnU-d图,根本上反映出声强级与距离的关系,如图4所示。图42LnU2d关系图由图4可以看出,2LnU-d根本上显示线性关系,符合公式〔4〕。经Excel图标计算,其相关系数=0.9737斜率即声强的衰减系数=0.0593dB/mm。。四、实验结果分析通过对以上实验数据的分析计算,得出以下结论:非理想驻波声强有衰减现象,约37kHz频率声波的衰减系数虽较小,却是1MHz频率声波在水中的衰减系数的300倍左右,相当于1MHz声波在软组织中的衰减系数。本实验可以丰富声速测量的实验内容。数据分析中，由于仪器的局限和测量级别相当小，以至于极小值的测量值不能准确的反映出声波衰减的实际情况。根据科学数据的取舍方法，与实际情况差异较大的实验数据，理应结合理论情况对数据进行必要的取舍。因此在数据分析过程中，舍弃极小值的测量结果。但在绘制驻波声压波形图时又利用