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1、北 京 交 通 大 学 大学物理实验设计性实验实验题目 超声波衰减系数的测量 学院 电子信息工程学院 班级 通信 1306 学号 姓名 首次实验时间年月日 时段： 指导教师签字 目录目录 一、实验任务 二、实验要求 三、实验方案 、物理模型的比较与选择 、实验方法的比较与选择 、仪器的选择与配套（系统误差分析） (1)误差公式的推导 (2)仪器的选择 、测量条件与最佳参数的确定 (1)测量条件 (2)最佳参数 四、实验步骤 五、实验数据及结论 六、实验注意事项 七、参考文献超声波衰减系数的测量超声波衰减系数的测量一、实验任务一、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，
2、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。要求衰减系数测量误差不大于 5%。二、实验要求二、实验要求 1、参阅相关资料，了解超声波换能器种类，特别是压电式超 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、实验方案三、实验方案、物理模型的比较与选择(1) 驻波法驻波法：当信号源输出的正弦波接到发射换能器 S1上时，
3、换能器的表面发出超声波，该超声波到达接收换能器 S2上， 一部分被反射。当两个换能器端面的距离恰好为半波长的整数 倍时，即 k=1,2 入射波与反射波相互叠加恰好形成驻波。驻波相邻两个波节或 波腹间距离为半个波长。由于超声波是纵波。声学量可用声压 对其进行描述。接收器接收到的声压转换成电压信号，并由示 波器显示出其电压值。要说明的是：在超声驻波中，波腹处声 压小，接收器输出的电压幅值小；波节处声压大，接收器上输出的电压幅值也大。这样可以根据换能器输出的电压信号幅度 的大小来求波长。本实验应用共振干涉法测量超声波在介质中 的衰减系数和反射系数。图为超声波波束在空气中的传播和反 射。(2) 测量固
4、态材料超声波衰减系数测量固态材料超声波衰减系数：选取需要测量的固态材料 作为样品；选用超声波检测仪器，利用需要测量固态材料对超 声波检测仪器进行调校；使用调整好的超声波仪器，采用常规 超声波检测方法对需要测量的固态材料进行超声波检测，至少 记录次超声波回波的声压幅值及声程值；按记录的超声波回 波的声压幅值、声程值，用常规方法建立声压、声程乘积对数 函数与声程曲线图；使用所建立的曲线图进行线性拟合，拟合 出线性函数关系式，线性函数式斜率即为现场被测量固态材料 的超声波衰减系数。(3)脉冲反射法脉冲反射法：，利用超声波声压、声程乘积的自然对数与 声程成线性关系，来测量钢铸件超声波衰减系数。、实验方
5、法的比较与选择由于实验室可提供的测量介质为液体和气体所以模型 （2）不可使用，而模型三不如模型（1）操作方便，故选用模 型（1）进行测量。 数值模拟和实验操作都发现测量声速时，示波器显示接收 端波形振幅会衰减。这暗示了可利用该方法测量超声波的衰减超声波 发生器超声波 接收器反射面入射波反射波OX0X系数。用示波器测量得到电压，通过平面波的衰减公式拟合得 到了声强衰减系数。用驻波法测量超声波在空气中衰减系数的 实验方法更符合实际。当换能器反射系数 r0.619 时,用简单 波拟合得到的衰减系数才比较可信。、仪器的选择与配套（系统误差分析）(1)误差公式的推导超声波在损耗介质中的准驻波效应 01x
6、AAR e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：00AU AU 其中0U是信号发生器输出电压数值，U 是示波器显示电压数值。主要误差来自于读数误差，且声速受到环境影响。 设超声波接收器在任意波峰位置处ix时，示波器显示电压数值 为iU，则 0lnln 1AARx（7）令 00lnlniUAAUy （8）ln 1bR（9） 则（7）式可以写成：ybx（10） 利用直线拟合方法，可以测量超声波在介质中的衰减系数。(2)仪器的选择声速测量仪（由压电陶瓷换能器、带有标尺的底座和读数装置 组成）、信号发生器和示波器、测量条件与最佳参数的确定(1)测量
7、条件信号源与换能器固有频率一致，在谐振情况下进行测量。压电 换能系统有一谐振频率，当外加强迫力的频率等于谐振频率时， 压电换能器产生机械谐振，此时得到电信号最强，它作为接收 器的灵敏度最高；当输入电信号使压电换能器产生机械谐振时， 它的振幅最大，作为波源的辐射功率也就最大。(2)最佳参数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。四、实验步骤四、实验步骤1、如图正确连接线路；2、调节信号发生器输出正弦信号的频率，达到与换能器谐振；3、在共振条件下，调节发射头和接收头的距离，当示波器上出现振幅最大时，记下峰值处的位置坐标ix和
8、峰值电压iU，记入实验表格；4、多次重复步骤 3，得到若干组数据。5、改变正弦信号的频率，重复上述步骤；6、将正弦信号改为方波或脉冲波重复上述步骤；7、对实验所得数据进行处理，拟合曲线，分析数据。五、实验数据及结论五、实验数据及结论1.空气中超声波衰减系数的测量空气中超声波驻波波峰位置及峰值电压测量第一次实验第二次实验第三次实验频率 f=37.43kHz、 正弦波形频率 f=37.93kHz、 正弦波形频率 f=36.93kHz、 正弦波形峰值距离/mm峰值电压/V峰值距离/mm峰值电压/V峰值距离/mm峰值电压/V 18.998.41.775.481.452.02 211.168.86.67
9、2.886.761.44 315.386.7210.932.1211.761.06 420.525.1215.41.7616.520.84 524.92420.571.3220.650.56 629.243.5224.690.88325.290.42 734.573.229.210.84530.530.384 838.632.8833.50.80734.770.34 943.212.5638.750.6440.250.324 1048.482.2643.890.56844.580.284 1152.772.0247.340.5649.070.252 1257.171.7852.620.4825
10、3.770.212 1361.491.9256.720.45158.560.192 1466.491.7261.290.38663.070.184 1571.111.666.380.34467.730.16 1675.451.670.590.312 1780.551.6275.970.344 1885.111.62 1989.341.44 2094.41.42 2198.821.3 22103.151.32 23108.371.3 24112.761.22 2. 水中超声波衰减系数的测量空气中超声波驻波波峰位置及峰值电压测量第一次实验第二次实验第三次实验频率 f=37.7kHz、 正弦波行频率
11、 f=38.2kHz、 正弦波行频率 f=37.2kHz、 正弦波行峰值距离/mm峰值电压/V峰值距离/mm峰值电压/V峰值距离/mm峰值电压/V 116.755.763.363.8421.24.96 240.015.4417.113.5242.313.12 361.425.2435.552.5658.783.04 479.234.4455.582.1279.122.48 5102.133.8473.451.1295.311.84 6118.732.7693.380.982115.761.64 7138.32.6115.640.828140.671.5 8159.112.13 9181.641
12、.64 10199.810.86 六、实验注意事项六、实验注意事项1、实验前，了解超声波换能器种类，特别是压电式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、熟悉超声声速测定仪和示波器的使用方法。3、实验时用一个换能器作为发射头，另一个为接收头，两换能器的面保持互相平行。4、在实验中要及时记录实验数据，实验数据较多，要记全。5、每次实验完成后，要整理好实验仪器方可离开实验室。七、参考文献1成正维,牛原.大学物理实验.北京:北京交通大学出版社,2010.52 龙会国,胡波涛.钢铸件超声波衰减系数测量及其影响因素A.3 刘宁宁,余琳琳,喻玫.等.驻波法测超声波衰减系数A.2011.10.4 张庆,李卓凡,王小怀.声速测定中声强的综合衰减系数的测定A.5 声速测量实验中声波衰减现象的研究 贺梅英 黄沛天 物理测试 第 25 卷 第 1 期 2007 年 1 月8
