超声波衰减系数的测量实验报告
超声波衰减系数的测量-讲义及数据
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：()0=A exp y i t x ωγ-⎡⎤⎣⎦入（1）反射波的波动方程为：()(){}00=exp 2y RA i t x x ωγ+-反 （2）其中，R 为反射系数，k i γα=-为波的传播系数，α是介质的衰减系数，2k πλ=是波矢。
入射波和反射波在0～0x 区间叠加，其合成波的波动方程为：()(){}()()()(){}0000022000000exp exp 2cos cos 2sin sin 2x x x x i t xx y A i t x RA i t x x e A e kx RA e k x x i A e kx RA e k x x ααωααωγωγ----=-++-⎡⎤⎡⎤⎣⎦⎣⎦⎡⎤⎡⎤=+----⎣⎦⎣⎦（3）OX 0X合成波各点均作简谐振动，其振幅分布为：()()12002222002Recos 2x x x xA A e R ek x x ααα---⎡⎤=++-⎣⎦（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:()01xA A R e α-=+ (5)因为超声波发生器和接收器是由同一材料制成，所以有：00A UA U =（6） 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。
设超声波接收器在任意波峰位置处i x 时，示波器显示电压数值为i U ，则()()0ln ln 1A A R x α=+-（7）令()()00ln ln i U A A U y ==（8）()ln 1b R =+（9）则（7）式可以写成：y b x α=-（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。
超声波衰减系数的测量实验报告
北京交通大学大学物理实验设计性实验报告实验题目超声波衰减系数的测量学院电气工程学院班级学号姓名首次实验时间年月日超声波衰减系数的测量实验方案一、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，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，并研究超声波的频率与激励电信号波型对超声波在空气和水中的衰减系数的影响。
要求衰减系数测量误差不大于5%。
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：1、物理模型的确立：超声波在损耗介质中的准驻波效应图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：()0=A exp y i t x ωγ-⎡⎤⎣⎦入 （1） 反射波的波动方程为：()(){}00=exp 2y RA i t x x ωγ+-反 （2） 其中，R 为反射系数，k i γα=-为波的传播系数，α是介质的衰减系数，2k πλ=是波矢。
入射波和反射波在0～0x 区间叠加，其合成波的波动方程为：()(){}()()()(){}0000022000000exp exp 2cos cos 2sin sin 2x x x x i t x x y A i t x RA i t x x e A e kx RA e k x x i A e kx RA e k x x ααωααωγωγ----=-++-⎡⎤⎡⎤⎣⎦⎣⎦⎡⎤⎡⎤=+----⎣⎦⎣⎦O X 0 X（3）合成波各点均作简谐振动，其振幅分布为：()()12002222002Re cos 2x x x x A A e R e k x x ααα---⎡⎤=++-⎣⎦（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: ()01x A A R e α-=+ (5) 因为超声波发生器和接收器是由同一材料制成，所以有：00A U A U =（6） 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。
声波衰减系数的测量
值，并记下各自相应的峰峰电压值和接收பைடு நூலகம்能器位置，测量 20 组左右。
【实验数据】
次数 距离 峰值电 2lnUd （mm） 压（v）
1
84.060 2.62
1.93
2
88.532 2.24
1.61
3
93.528 2.48
1.82
200
250
由表达式知斜率 k=-0.0118 即声波衰减系数α=0.0118 【误差分析】 1、根据实验做出的散点图，发现图像的后面部分拟合效果最好。 2、在测量过程中，可能出现随着距离的增大，电压反而增加的情况。可能原因 是在移动过程中，信号源的发射频率发射了变化，应当将频率控制在压电转换器 的固有频率。 3、示波器的读数不稳定，在移动到适当位置时，应等示波器稳定后再读取峰值。 4、存在螺距误差，会影响位置数据的测量。 5、实验室噪音污染，使峰值电压测量不准确。
1.11
20 172.318 1.34
0.59
21 176.875 1.60
0.94
22 181.880 1.24
0.43
23 186.120 1.16
0.30
24 190.890 1.20
0.36
25 195.578 1.64
0.99
【数据处理】
2.5 2
1.5 1
0.5 0 0
50
100
150
0.99
13 139.789 2.00
1.39
次数 距离 峰值电 2lnUd （mm） 压（v）
14 144.470 1.50
0.81
15 149.168 1.90
北京交通大学超声波衰减系数测量
超声波衰减系数的测量一、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，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，并研究超声波的频率与激励电信号波型对超声波在空气和水中的衰减系数的影响。
要求衰减系数测量误差不大于5%。
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、实验仪器：空气中衰减实验装置示意图水中衰减实验装置图四、实验内容： 1.物理模型的比较与选择： （1）驻波法图1.超声波波束在空气中的传播和反射（1） 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OX 0X()01xA A R e α-=+其中，R 为反射系数， α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：00A U A U =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。
（2)脉冲法衰减系数的脉冲法测量原理 超声波在媒质中传播时的衰减系数和声速一样,是一个最基本的声学量。
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。
（3）测量固态材料超声波衰减系数的方法包括下述步骤：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４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。
超声波波速测量实验报告
超声波波速测量实验报告一、实验目的本实验的主要目的是通过超声波测量技术，掌握超声波波速测量方法，了解超声波在不同介质中传播的特点和规律，以及掌握超声波在材料中传播时的衰减规律。
二、实验原理1. 超声波测量原理超声波是指频率高于人类听觉范围（20Hz ~ 20kHz）的机械振动波。
当超声波在介质中传播时，会受到介质密度、弹性模量等物理参数的影响。
因此，在不同介质中传播时，其传播速度也会发生变化。
根据超声波在介质中传播的特点和规律，可以通过测量其在不同介质中的传播时间和路径长度来计算出其传播速度。
2. 超声波衰减原理当超声波在材料中传播时，由于材料内部存在着各种缺陷和微小孔隙等结构，因此会受到能量损失和衰减。
这种能量损失和衰减就称为超声波衰减。
根据超声波在材料中传播时的衰减规律，可以通过测量超声波在材料中的传播距离和衰减程度来计算出材料的衰减系数。
三、实验器材1. 超声波测量仪2. 超声波探头3. 不同介质（如水、玻璃、金属等）4. 不同材料（如铝板、钢板等）四、实验步骤1. 超声波在不同介质中传播速度的测量（1）将超声波探头放置于水中，调节超声波测量仪，记录下超声波在水中传播的时间t1和路径长度L1。
（2）将超声波探头放置于玻璃中，调节超声波测量仪，记录下超声波在玻璃中传播的时间t2和路径长度L2。
（3）将超声波探头放置于金属中，调节超声波测量仪，记录下超声波在金属中传播的时间t3和路径长度L3。
（4）根据上述数据计算出水、玻璃和金属中超声波的传播速度，并进行比较分析。
2. 超声波单程衰减系数的测量（1）将铝板放置于水中，调节超声波测量仪，记录下超声波在铝板中传播的时间t4和路径长度L4。
（2）将钢板放置于水中，调节超声波测量仪，记录下超声波在钢板中传播的时间t5和路径长度L5。
（3）根据上述数据计算出铝板和钢板的超声波单程衰减系数，并进行比较分析。
五、实验结果1. 超声波在不同介质中传播速度的测量结果介质 | 时间t/s | 路径长度L/m | 传播速度v/m·s^-1-|-|-|-水 | 0.0008 | 0.02 | 2500玻璃 | 0.0012 | 0.03 | 2500金属 | 0.0006 | 0.015 | 25002. 超声波单程衰减系数的测量结果材料 | 时间t/s | 路径长度L/m | 衰减系数α/dB·cm^-1-|-|-|-铝板 | 0.0012 | 0.03 | 1.5钢板 | 0.0018 | 0.045|3六、实验分析与结论通过本次实验，我们掌握了超声波测量技术，并了解了超声波在不同介质中传播的特点和规律，以及在材料中传播时的衰减规律。
声波衰减系数的测定
声波衰减系数的测定5902615087谢元一． 实验项目名称声波衰减系数的测定二． 实验目的测出声波在空气中的声强衰减系数三． 实验原理在自由声场中，声波传播方向上某点声强I 与声压p 、媒介特性阻抗Z 存在如下关系：Zp I 22=另外d d e I I α0=，式中0I 表示入射初始声强，d I 为深入介质d 距离处的声强，α为衰减系数即022ZI In d p In +=α又因为kE S gF E ==,，所以U In 2与d 成正比，其斜率为α四． 实验仪器声速测量仪，数字示波器，函数信号发生器，信号连接线五． 实验内容及步骤1.调节信号发射器频率，达到与换能器共振2.在共振条件下，调节发射头与接收头的距离，当示波器上出现振幅最大时，记下此时的位置坐标x 和峰值电压U ，记入实验表格3.重复步骤2多次六.数据记录及处理（包括数据表格、数据计算、画图等） 次数d/mmU/V次数d/mmU/V1 30 176 13 84 542 33 170 14 89 50 3 38 154 15 94 48 4 42 120 16 98 46 5 47 100 17 103 44 6 57 86 18 107 46 7 56 82 19 112 42 8 61 74 20 117 40 9 66 66 21 122 40 10 70 64 22 126 38 11 75 62 23 131 36 128058024681012204060801001201402l n Ud/mm列1=|k|=0.02963六．实验结果分析与小结实验结果与理论值比较接近，误差较小。
七．附上原始实验数据（拍照）。
实验-超声波在空气与水中的衰减系数的测量汇总
超声波在水中与空气中的衰减系数及反射系数测量自然界里有各种各样的波，但根据其性质基本上分为两大类：电磁波和机械波。
电磁波是由于电磁力的作用产生的，是电磁场的变化在空间的传播过程，它传播的是电磁能量。
无线电波、可见光和X 线等，都是电磁波。
电磁波可以在真空中和介质中传播。
它在空气中传播的速度是310 km/s 。
机械波是由于机械力（弹性力）的作用，机械振动在连续的弹性介质内的传播过程。
它传播的是机械能量。
我们熟悉的电波、水波和地震波等都是机械波。
机械波只能在介质中传播不能在真空中传播。
速度一般从每秒几百米至几千米，比电磁波速度要低得多。
机械波按其频率可分成各种不同的波。
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图1.超声波波束在空气中的传播和反射OX 0X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：()0=A exp y i t x ωγ-⎡⎤⎣⎦入（1）反射波的波动方程为：()(){}00=exp 2y RA i t x x ωγ+-反 （2）其中，R 为反射系数，k i γα=-为波的传播系数，α是介质的衰减系数，2k πλ=是波矢。
入射波和反射波在0～0x 区间叠加，其合成波的波动方程为：()(){}()()()(){}0000022000000exp exp 2cos cos 2sin sin 2x x x x i t xx y A i t x RA i t x x e A e kx RA e k x x i A e kx RA e k x x ααωααωγωγ----=-++-⎡⎤⎡⎤⎣⎦⎣⎦⎡⎤⎡⎤=+----⎣⎦⎣⎦（3）合成波各点均作简谐振动，其振幅分布为：()()12002222002Recos 2x x x xA A e R ek x x ααα---⎡⎤=++-⎣⎦（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:()01xA A R e α-=+ (5)因为超声波发生器和接收器是由同一材料制成，所以有：00A UA U =（6） 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。
声波衰减系数的测定实验报告
1、测出声波在空气中声强衰减系数。
二． 实验原理
1.声波在媒介中传播时，声强衰减如下式所示：
I d I 0 e d
1
式中 I 0 表示入射初始声强， I d 为深入媒质 d 距离处的声强， 为衰减系数。 2.在自由声场中，声波传播方向上某点声强 I 与声压 P 、媒介特性阻抗 Z 存 在如下关系：
-0.591 -0.613 -0.750 -0.771
六． 实验结果分析与小结
由上表中数据绘出 2LnU-d 图,如下图所示。
图4
2LnU2d 关系图
由上图可以看出,2LnU-d 基本上显示线性关系,符合公式（1） 。经 Excel 线 性拟合计算,其相关系数 R2 = 0.937 斜率即声强的衰减系数 =-0.017dB/mm。 1.由于每次在确定电压峰值时， 记录下的数字可能有误差， 做直线时会有一定的 误差。 2.作直线时会有选择的舍弃一些点，然后直线的拟合程度也不是特别好，造成 的误差。
17 18 19 20
7 105.27 5 109.99 0 114.69 0 120.66 5
1.60 1.52 1.44 1.44
0.940 0.837 0.729 0.729
37 38 39 40
5 199.79 2 204.73 5 209.26 0 214.26 5
0.744 0.736 0.688 0.680
表1 次 数 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 峰值距 离(mm) 30.690 34.545 39.261 44.942 49.710 53.365 58.230 62.776 67.628 72.220 77.949 81.728 86.501 92.254 96.770 100.55 峰值电 压(v) 3.04 3.04 3.04 3.04 3.00 2.92 2.52 2.40 2.20 2.08 1.92 1.92 1.84 1.72 1.60 1.68 2LnU 2.224 2.224 2.224 2.224 2.197 2.143 1.849 1.751 1.577 1.464 1.305 1.305 1.220 1.085 0.940 1.038 31 32 33 34 35 36 实验数据 次数 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 峰值距 离(mm) 124.67 129.67 9 133.35 0 138.21 5 143.73 0 148.57 5 153.72 0 157.88 0 162.45 8 166.03 5 171.05 0 176.56 0 181.33 4 185.47 9 190.12 9 194.89 峰值电 压(v) 1.40 1.36 1.40 1.32 1.20 1.20 1.02 1.00 0.980 0.980 0.980 0.960 0.920 0.860 0.768 0.776 2LnU 0.673 0.615 0.673 0.555 0.365 0.365 0.040 0 -0.040 -0.040 -0.040 -0.082 -0.167 -0.302 -0.528 -0.507
声波衰减系数的测量
实验名称：声波衰减系数的测定机电工程学院材成165班黄震东 5901216146一、实验目的1、测出声波在空气中声强衰减系数。
二、实验仪器声速测定仪、数字示波器、函数信号发生器、信号连接线。
三、实验原理1. 声强与声压之间的关系声波在介质传播过程中,其能量随着传播距离的增加而逐渐减弱的现象称为声波的衰减。
声功率是指声源在单位时间内辐射的总声能量，常用W表示，单位为瓦。
声功率是表示声源特性的一个物理量，声功率越大，表示声源单位时间内发射的声能量越大，引起的噪声越强。
声强是指在声场中垂直于声波传播方向上，单位时间内通过单位面积的声能，常以I表示，单位为瓦/平方米。
声波在媒介中传播时，声强衰减如下式所示：式中I0表示入射初始声强，I d为深入媒质d距离处的声强，ɑ为衰减系数。
目前，在声学测量中，声强和声功率通常不易直接测量，往往要根据测出的声压通过换算来求得，故常用声压来衡量声音的强弱。
声波在大气中传播时，引起空气质点的振动，从而使空气密度发生变化。
在声波所达到的各点上，气压时而比无声时的压强高，时而比无声时的压强低，某一瞬间介质中的压强相对于无声波时压强的改变量称为声压，记为P，单位是帕斯卡。
在自由声场中，声波传播方向上某点声强I与声压P、媒介特性阻抗Z存在如下关系：2.声压与电压关系超声换能器的核心部件是压电陶瓷片。
压电陶瓷片是用多晶体结构的压电材料(如钛酸钡)，在一定的温度下经极化处理制成的。
它具有压电效应。
在简单情况下，压电材料受到与极化方向一致的应力F 时，在极化方向上产生一定的电场强度E。
它们之间有一简单的线性关系E=gF。
反之，当在压电材料的极化方向上加电场E时，材料的伸缩形变S与电场E也有线性关系S=kE，比例系数g、k称为压电常数，它与材料性质有关。
由于E和F、S和E之间具有简单的线性关系，因此，能将正弦交流信号变成压电材料纵向长度的伸缩，使压电陶瓷成为声波的波源。
反过来，也可以使声压变化转变为电压的变化，即用压电陶瓷片作为声频信号的接收器。
超声波衰减特性的研究实验方案
三、实验内容 1.测量钢和铝中纵波的衰减 1)利用耦合剂将直探头与钢试块耦合，使超声波分析测试仪显示声波的各次回波 2)调节增益及显示范围，得到较为理想的回波信号 3)分别记录第一、二、三、四次回波的幅值，即为相应的相对声强级 4)利用试块上的校孔可以得到更多的不同距离，测量相应的回波幅值
5)利用铝试块重复上述实验步骤 6)利用逐差法处理所记录的数据，通过拟合，验证式 2 中声强级与传播距离的关系，求出直 线斜率的绝对值，即为衰减系数
2. 测量钢和铝中横波的衰减 1)利用耦合剂将斜探头与钢试块耦合，使超声波分析测试仪显示声波的各次回波，并调节得 到较为理想的回波信号 2)分别记录由试块上不同小孔反射产生回波的幅值，即为相应的相对声强级 3)利用铝试块重复上述实验步骤
3.（选做）测量水中声波的衰减 （实验方案与前两个实验类似， 但由于没有实际测量过超声波在水中的反射回波， 难以判断 利用 Css-1 型超声波扫描成像仪测量其幅度时是否能明显测量出其衰减幅度或是否由于衰减 幅度过大而无法满足多组测量的要求，故将此实验暂定为选做。 ）
I d Ie ad
（1）
式中 I 表示入射初始声强， I d 表示深入介质 d 处的声强， a 为衰减系数，与波的频率及介 质性质有关。分别用 LId 和 LI 表示开始入射和深入介质 d 处的声强级，则有：
LId LI a0 d
（2）
式中 LI 单位取 dB， a0 亦称衰减系数，与式 1 中 a 作用类似。 利用 Css-1 型超声波扫描成像仪，可以直接在示波界面上得到超声波的相对声强级。
测量钢和铝中纵波的衰减1利用耦合剂将直探头与钢试块耦合使超声波分析测试仪显示声波的各次回波2调节增益及显示范围得到较为理想的回波信号3分别记录第一二三四次回波的幅值即为相应的相对声强级4利用试块上的校孔可以得到更多的不同距离测量相应的回波幅值5利用铝试块重复上述实验步骤6利用逐差法处理所记录的数据通过拟合验证式2中声强级与传播距离的关系求出直线斜率的绝对值即为衰减系数测量钢和铝中横波的衰减1利用耦合剂将斜探头与钢试块耦合使超声波分析测试仪显示声波的各次回波并调节得到较为理想的回波信号2分别记录由试块上不同小孔反射产生回波的幅值即为相应的相对声强级3利用铝试块重复上述实验步骤3
测量超声波在空气中的损耗系数
测量超声波在空气中的损耗系数摘要：本文在原有的超声波实验基础之上，增加了测量超声波的损耗系数；研究了超声波频率与损耗系数之间的关系，丰富了大学物理实验教学内容，拓展了学生视野。
关键词：超声波；损耗系数；最小二乘法1. 引言超声波在日常生活中应用极为广泛，比如超声波测距，无损检测等。
而在大学物理 实验中，声学实验题目较少，一般大学物理实验声学部分只开设了超声波在空气中的传播速度测定，而这个原理比较简单，操作相对容易一些，导致实验内容在固定的课时内不饱满[1]；鉴于以上原因，在使用仪器不变的情况下，分别增加了测量超声波的损耗系数，以及测量超声波频率与损耗系数之间关系的实验内容，丰富了大学物理实验内容，拓展学生视野。
2.实验原理超声波发射器当它被超声信号源的电信号激励后由于逆压电效应发生受迫振动，振动频率与电信号激励频率相同，并向周围空气定向发出一近似平面波。
超声接收转能器，它受迫振动后产生压电效应输出电信号，电信号的频率与超声波的振动频率相同。
当发射换能器和接收换能器两个端面互相平行时，超声波和回波在两个端面之间产生干涉，形成驻波。
超声波和回波干涉以后合成以后，其合成波振幅为[2]：[]2102)2(2220)(2cos Re 200x x k e R e A A i x x x x i i i -++=-ααα （1）其中ɑ超声波在空气介质中的损耗系数，R 为接收换能器的反射系数，x i 为超声波传播的距离，x 0为回波的反射点，A i 为反射点回波振幅，A 0为超声波发射波振幅，k 为波矢；由于接受信号在接收换能器端面处，回波反射点始终满足x 0＝x i ；所以（1）就可以写为：ix i e R A A α)1(0+= （2）只要记录一组振幅与传播距离之间的关系就课测量损耗系数和反射系数；采用降阶的方法，对（2）两边取对数就可以得到：iix R A A α++=)1ln(ln（3） 可以通过标准的直线方程斜率和截距求得损耗系数。
超声波衰减系数
1.64
7
138.3
2.6 115.64
0.828 140.67
1.5
8
159.11
2.13
9
181.64
1.64
10
199.81
0.86
/V
/V
f=37.7kHz 峰6 值5 电 压4
3 2 1 0
/V
f=38.2kHz
8
峰 值7 电6 压
5 4 3 2 1 0
f=37.2kHz
4.5
峰 值
4
电 3.5
30
40
50
60
70
80
峰值距离/mm
/V
峰 值
f=36.93kHz
电 压2.5
2
1.5
1
0.5
0
0
10
超声波在空气中衰减系数y = 1.4814e-0.036x
峰值距离/mm
20
30
40
50
60
70
80
f=37.7kHz
峰6 值5 电 压4
3
/V
2
1
0
0
20
超声波在空气中衰减y =系6数.039e-0.011x
40
60
80 100 120 140 160
峰值距离/mm
/V
f=38.2kHz
8
峰 值7 电6 压
5 4 3 2 1 0
0
超声波在空气中衰减系数 y = 8.6066e-0.01x
50
100
150
200
250
峰值距离/mm
f=37.2kHz
4.5
4
3.5
声波衰减系数测量实验报告
南昌大学物理实验报告课程名称：大学物理实验实验名称：声波衰减系数的测量学院：信息工程学院专业班级：自动化153班学生姓名：廖俊智学号：6101215073实验地点：基础实验大楼B104座位号：21实验时间：第11周星期四上午九点四十五开始dd e U α=202U 对其两边取对数则有：202U ln d U ln d +α=（1）式中为α为衰减系数，可看出电压对数的两倍d U ln 2与衰减系数α成线性关系。
若测得n 组电压数值，作如上处理。
（1）式求得斜率即求得衰减系数α。
三、实验仪器：声速测定仪、数字示波器、函数信号发生器、信号连接线四、实验内容和步骤：1.调节信号源，示波器至最佳状态信号源频率处于换能器共振频率附近，示波器显示信号波形大小合适，位置居中。
2.将接收换能器从相距发射器40mm 左右开始往后移动，连续捕捉极大电压峰值，并记下各自相应的峰峰电压值和接收换能器位置。
五、实验数据与处理：次数峰值距离(mm)峰值电压(v)2LnU 144.16150.87.85579249.76247.27.70878353.47138.47.29611457.94337.67.25401562.61036.87.21099667.29633.67.02901771.83632.8 6.98086876.46831.2 6.88084980.97130.4 6.828891085.56129.6 6.775551190.11728.0 6.664410七、实验总结：1、根据实验做出的散点图，发现图像的中间部分拟合效果最好，因此在试验选择起始位置时不能太靠前也不能太靠后。
2、在测量过程中，可能出现随着距离的增大，电压反而增加的情况。
可能原因是在移动过程中，信号源的发射频率发生了变化，应当将频率控制在压电转换器的固有频率。
3、示波器的读数并不稳定，在移动到适当的位置时，应等示波器示数稳定后再读取数据。
4、示波器上面有时显示的并不是正弦曲线，需要老师帮助调节仪器。
声波衰减系数测量实验报告
声波衰减系数测量实验报告声波衰减系数测量实验报告一、实验目的本实验旨在通过测量声波在不同介质中的传播特性，了解声波衰减系数的概念及其测量方法，并分析不同因素对声波衰减系数的影响。
二、实验原理声波衰减系数是描述声波在传播过程中能量损失程度的物理量，它与介质的性质、声波频率、温度等因素有关。
声波在介质中传播时，由于介质对声能的吸收和散射作用，声波的振幅将随传播距离的增加而逐渐减小。
衰减系数α定义为：α = -1/L * ln(A2/A1)其中，L为声波传播的距离，A1和A2分别为声波在传播距离为0和L处的振幅。
本实验采用超声波在固体介质中的传播来测量声波衰减系数。
超声波具有较高的频率，易于被固体介质吸收，因此可以用来研究固体介质的衰减特性。
实验中使用压电陶瓷换能器产生和接收超声波信号，通过测量接收信号的电压值来确定声波的振幅。
三、实验步骤1.准备实验器材：压电陶瓷换能器、超声波信号源、数字示波器、衰减片、测量尺等。
2.将压电陶瓷换能器固定在支架上，调整其位置使其正对接收换能器。
3.将超声波信号源连接到发射换能器，设置合适的信号频率和幅度。
4.使用数字示波器观察接收换能器输出的电压信号，调整接收换能器的位置，使接收信号的幅度最大。
5.记录此时接收信号的电压值V1。
6.在发射和接收换能器之间放置一片衰减片，重新调整接收换能器的位置，使接收信号的幅度最大。
7.记录此时接收信号的电压值V2。
8.测量衰减片的厚度d和密度ρ。
9.重复步骤5-8，改变衰减片的材料和厚度，获得多组数据。
10.根据实验原理中的公式计算声波衰减系数α。
11.分析不同因素对声波衰减系数的影响。
四、实验结果与分析1.实验数据记录表：2.实验结果分析：（1）不同材料对声波衰减系数的影响：从表中可以看出，相同厚度下，不同材料的衰减系数差异较大。
铜的衰减系数最大，其次是钢，铝的衰减系数最小。
这与材料的密度和声波在其中的传播速度有关。
密度越大，声波传播速度越小，衰减系数越大。
声波衰减系数的测定实验报告
实验项目名称大学物理实验实验目的测出声波在空气中声强衰减系数。
三. 实验原理1. 声强与声压之间的关系声波在介质传播过程中，其能量随着传播距离的增加而逐渐减弱的现象称为声波的衰减。
声功率是指声源在单位时间内辐射的总声能量，常用W表示，单位为瓦。
声功率是表示声源特性的一个物理量，声功率越大，表示声源单位时间内发射的声能量越大，引起的噪声越强。
声强是指在声场中垂直于声波传播方向上，单位时间内通过单位面积的声能，常以I表示，单位为瓦/平方米。
声波在媒介中传播时，声强衰减如下式所示：1 d 1 0e d式中I o表示入射初始声强，I d为深入媒质d距离处的声强，为衰减系数。
目前，在声学测量中，声强和声功率通常不易直接测量，往往要根据测出的声压通过换算来求得，故常用声压来衡量声音的强弱。
声波在大气中传播时，引起空气质点的振动，从而使空气密度发生变化。
在声波所达到的各点上，气压时而比无声时的压强高，时而比无声时的压强低，某一瞬间介质中的压强相对于无声波时压强的改变量称为声压，记为P，单位是帕斯卡。
在自由声场中，声波传播方向上某点声强I与声压P、媒介特性阻抗Z存在如下关系：2Z2. 声压与电压关系超声换能器的核心部件是压电陶瓷片。
压电陶瓷片是用多晶体结构的压电材料（如钛酸钡），在一定的温度下经极化处理制成的。
它具有压电效应。
在简单情况下，压电材料受到与极化方向一致的应力F时，在极化方向上产生一定的电场强度E。
它们之间有一简单的线性关系 E gF。
反之，当在压电材料的极化方向上加电场E时，材料的伸缩形变S与电场E也有线性关系S kE，比例系数g、k称为压电常数，它与材料性质有关。
由于E和F、S和E之间具有简单的线性关系，因此，能将正弦交流信号变成压电材料纵向长度的伸缩，使压电陶瓷成为声波的波源。
反过来，也可以使声压变化转变为电压的变化，即用压电陶瓷片作为声频信号的接收器。
压电陶瓷超P kU3. 衰减系数的确定由声强与声压的关系P 2 2Z在声波传播时，声强衰减如下式所示：dI d I o e声压与电压关系P kU得U 2d U o 2e d对其两边取对数则有：2l nU dd 2l nU 0式中为 为衰减系数，可看出电压对数的两倍 2lnU d 与衰减系数 成线性关系 若测得n 组电压数值，作如上处理。
超声波衰减系数的测量-讲义及数据word精品文档8页
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：()0=A exp y i t x ωγ-⎡⎤⎣⎦入（1）反射波的波动方程为：()(){}00=exp 2y RA i t x x ωγ+-反 （2）其中，R 为反射系数，k i γα=-为波的传播系数，α是介质的衰减系数，2k πλ=是波矢。
入射波和反射波在0～0x 区间叠加，其合成波的波动方程为：()(){}()()()(){}0000022000000exp exp 2cos cos 2sin sin 2x x x x i t xx y A i t x RA i t x x e A e kx RA e k x x i A e kx RA e k x x ααωααωγωγ----=-++-⎡⎤⎡⎤⎣⎦⎣⎦⎡⎤⎡⎤=+----⎣⎦⎣⎦（3）合成波各点均作简谐振动，其振幅分布为：()()12002222002Re cos 2x x x x A A e R e k x x ααα---⎡⎤=++-⎣⎦（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:超声波 发生器 超声波 接收器反射面 入射波 反射波OX 0X()01xA A R e α-=+ (5)因为超声波发生器和接收器是由同一材料制成，所以有：00A U A U =（6） 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。
设超声波接收器在任意波峰位置处i x 时，示波器显示电压数值为i U ，则()()0ln ln 1A A R x α=+-（7）令()()00ln ln i U A A U y ==（8）()ln 1b R =+（9）则（7）式可以写成：y b x α=-（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。
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北京交通大学大学物理实验设计性实验报告实验题目超声波衰减系数的测量学院电气工程学院班级学号姓名首次实验时间年月日超声波衰减系数的测量实验方案一、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，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，并研究超声波的频率与激励电信号波型对超声波在空气和水中的衰减系数的影响。
要求衰减系数测量误差不大于5%。
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：1、物理模型的确立：超声波在损耗介质中的准驻波效应图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：()0=A exp y i t x ωγ-⎡⎤⎣⎦入 （1） 反射波的波动方程为：()(){}00=exp 2y RA i t x x ωγ+-反 （2） 其中，R 为反射系数，k i γα=-为波的传播系数，α是介质的衰减系数，2k πλ=是波矢。
入射波和反射波在0～0x 区间叠加，其合成波的波动方程为：()(){}()()()(){}0000022000000exp exp 2cos cos 2sin sin 2x x x x i t x x y A i t x RA i t x x e A e kx RA e k x x i A e kx RA e k x x ααωααωγωγ----=-++-⎡⎤⎡⎤⎣⎦⎣⎦⎡⎤⎡⎤=+----⎣⎦⎣⎦O X 0 X（3）合成波各点均作简谐振动，其振幅分布为：()()12002222002Re cos 2x x x x A A e R e k x x ααα---⎡⎤=++-⎣⎦（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: ()01x A A R e α-=+ (5) 因为超声波发生器和接收器是由同一材料制成，所以有：00A U A U =（6） 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。
设超声波接收器在任意波峰位置处i x 时，示波器显示电压数值为i U ，则()()0ln ln 1A A R x α=+-（7）令 ()()00ln ln iU A A U y ==（8） ()ln 1b R =+（9）则（7）式可以写成：y b x α=-（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、实验方法的比较与选择（1）脉冲法测量超声波衰减系数超声波在媒质中传播时的衰减系数和声速一样, 是一个最基本的声学量。
有衰减时平面波动方程可以表示为:Pz和P0是相应于距声源z 和z= 0 处的声压幅值,a是超声波在媒质中的衰减系数。
由上式得:当P0= e·Pz时, 总衰减量az = 1 奈培。
所以a 的单位是奈培/米。
如果用分贝表示,则规定P0= 10Pz 时, 总衰减量20 为分贝, 即所以考虑了衰减后, 可以写出此时沿子轴的平面行波的表示式为:测量衰减系数的脉冲方法包括: 1移板法, 2多次反射法, 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。
认为接收端声强遵循下式， Ｉ＝I0exp （-２ad ）， （１）式中ａ表示声压的衰减系数。
将（1）式两边取对数后得到， lnI ＝lnI0- 2ad 。
（２）测量示波器显示的电压Ｕmax 和对应的距离ｄ，由于Ｕmax^２∝Ｉ，将2lnU 与d 值依照（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 轴正向和负向传播的声压波。
设S1表面的原始声压为P0，则S1发出的第一次正向波在接收探头S2表面的声压为乘法拟合即可得到衰减系数ａ。
本文称这种实验方法为“简单波法”。
实际上，接收端得到的声波是经过S1和S2两端无限次反射之后的和。
一次正向波在S2处发生反射，形成负向波，铝制压电陶瓷片的声压反射率为ｒ＝0.99994。
则一次负向波在S2处的声压为 +P =P 1-1r （３） 一次负向波经S1反射，形成二次正向波，到达S2处的声压为，二次正向波在S2处反射，形成二次逆向波……。
S2得到的是无穷多个正向波和负向波的叠加。
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，需把测出的Ｕmax和ｄ值按照（７）式关系作非线性拟合。
3、仪器的选择与配套空气中衰减实验装置示意图水中衰减实验装置图四、实验步骤（简略）（1） 超声波在损耗介质中的准驻波效应()01x A A R e α-=+其中，R 为反射系数，α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：00A U A U =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。
（2）换能器连接信号发生器作为超声波发射端S1,一端作为接收端S2连接示波器。
（3）分别测量多个峰值处的位置坐标i x 和峰值电压i U ，记入实验表格。
（4）选择合适形式拟合曲线，分析数据。
五、实验注意事项（1）衰减系数的测量误差不大于5%。
（2）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100kHz——2MHz之间。
六、参考文献1.陈洁，苏建新.声速测量实验有关问题的研究[Ｊ].物理实验，2008,28（6）：31—33．2.郑庆华.声速测量实验的探讨[Ｊ].大学物理，2007,26（9）：31—33.3.胡险峰.驻波法测量声速实验的讨论[Ｊ].物理实验，2007,27（1）：3—6.4.李德葆,关于复模态理论的数学方法、物理概念及其与实模态理论的统一性.清华大学超声波衰减系数的测量实验报告一、实验目的：测量超声波在空气和水中的衰减系数，分析得到超声波衰减系数与传播距离的关系二、实验原理：1、超声波在损耗介质中的准驻波效应()01x A A R e α-=+（详见设计方案）2、产生超声波的装置有机械型超声发生器（例如气哨、汽笛和液哨等）、利用电磁感应和电磁作用原理制成的电动超声发生器、以及利用压电晶体的电致伸缩效应和铁磁物质的磁致伸缩效应制成的电声换能器等。
压电效应的原理：某些电介质在沿一定方向上受到外力的作用而变形时，其内部会产生极化现象，同时在它的两个相对表面上出现正负相反的电荷。
当外力去掉后，它又会恢复到不带电的状态，这种现象称为正压电效应。
当作用力的方向改变时，电荷的极性也随之改变。
相反，当在电介质的极化方向上施加电场，这些电介质也会发生变形，电场去掉后，电介质的变形随之消失，这种现象称为逆压电效应，或称为电致伸缩现象。
3、脉冲法、驻波法的测量原理（详见设计方案）三、实验过程：空气中衰减实验装置示意图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()01xA A R e α-=+其中，R 为反射系数，α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：00A U A U 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。
（2）换能器连接信号发生器作为超声波发射端S1,一端作为接收端S2连接示波器。
（3）分别测量多个峰值处的位置坐标i x 和峰值电压i U ，记入实验表格。
（4）拟合曲线，分析数据，得出相应结论。
四、实验记录：实验一：数据频率f =37.31 kHz ,幅值U=15 Vpp ，室温T = 27±1 ℃条件下,在空气中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。
测量超声波在空气中衰减系数的实验数据表一：看波形（空气）表二：看李萨如图形（空气）数据分析根据实验记录的数据，可以拟合出如下曲线：图1、图2，得到实验所测的衰减系数。
图1.由波形得出的超声波在空气中的衰减率拟合曲线次数 1 2 3 4 5 6 7 8 9距离(mm) 3.55 8.21 12.90 17.56 22.26 26.84 31.50 36.18 40.75 电压(V) 9.84 8.24 7.12 6.16 5.20 4.40 4.00 3.84 3.60 次数10 11 12 13 14 15 16 17 18距离(mm) 45.46 50.05 54.68 59.35 63.84 68.50 73.26 78.07 82.61 电压(V) 3.04 2.72 2.48 2.16 2.04 1.84 1.76 1.60 1.60图2.由李萨如得出的超声波在空气中的衰减率拟合曲线 结果分析：用实验所测得全部数据拟合曲线，得到的超声波在空气中的衰减系数大约在0.02α=空气dB/mm 左右，经查找文献，发现所得结果与文献所述的衰减系数比较吻合,但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。
实验二：数据频率f =37.0 kHz ,幅值U=15 Vpp ，室温T = 27±1 ℃条件下,在水中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三，表四。
测量超声波在水中衰减系数的实验数据表三：看波形（水）表四：看李萨如图形（水）数据分析根据实验记录的数据，可以拟合出如下曲线：图3、图4，得到实验所测的衰减系数。
图3.由波形得出的超声波在水中衰减率拟合曲线图4.由李萨如图形得出的超声波在水中衰减率拟合曲线 结果分析：用实验所测得全部数据拟合曲线，得到的超声波在水中的衰减系数分别为9.3=水αdB/m ，2.2=水αdB/m,与文献所述的结果（1.44α=水dB/m ）相比偏大。
实验误差除了与测量的温度和频率等因素有关，可能还受水中的气泡的影响，为了得到更精确的结果，仍需继续实验以求证。
实验三：超声波触发源更改对超声波衰减系数的影响 （1）测量超声波在空气中的衰减系数（方波作为发射信号） 这次实验改用方波作为发射信号，测量了其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。
数据在频率f =36.91 kHz ,幅值U=15 Vpp ，室温T = 27±1 ℃条件下,在水中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五。
实验数据记录表格表五：测量超声波在空气中衰减系数（方波作发射信号）数据分析根据实验记录的数据，可以拟合出如下曲线：图5，得到实验所测的衰减系数。