超声波衰减系数的测量-讲义及数据

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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超声波发生器超声波接收器反射面入射波反射波OX0X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O，入射超声波波束沿坐标系x轴方向传播，其波动方程为：（1）反射波的波动方程为：（2）其中，为反射系数，为波的传播系数，是介质的衰减系数，是波矢。入射波和反射波在0～区间叠加，其合成波的波动方程为：（3）合成波各点均作简谐振动，其振幅分布为：（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:(5)因为超声波发生器

2、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）式可以写成：（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。三、实验过程：图2.空气中衰减实验装置示意图图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，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：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。（2）分别测量多个峰值处的位置坐标和峰值电压，记入实验表格。（3）拟合曲线，分析数

3、据。四、实验记录：数据频率f=37120Hz,室温T=27±1℃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)61.5066.2570.8975.7080.4484.9

4、989.7894.7199.66104.07108.77113.5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

5、次数21222324252627282930距离(mm)57606264666870727477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)11.911.610.59.688.24

6、7.286.725.92次数1314151617181920距离(mm)61.5066.2570.8975.7080.4484.9989.7894.71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

7、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线，则得到的超声波在空气中的衰减系数dB/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dB/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,dB/mm,dB/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