超声波衰减系数的测量实验报告
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。
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
波，由
c
c
s
c
cs
c >c
c
c
ϕ标志的波通常称为纵波，由ψ标志的波通常称为横波，后面我们所
要讨论的声波即为平面波。
ρ
2
2
λ+
c
c=
μ
(2-8)
2
ρ
μ
=
s
c
4第一章绪论
1.1引言
超声波具有频率高、波长短、绕射现象小，特别是方向性好、能够成为
1.1引言........................................................1
1.2本文的主要工作..............................................2
第二章固体中声波基础理论及相关计算.................................4
5.2井间地震管波的实验观测.....................................38
5.3井间地震管波的传播机制.....................................43
5.4井间地震管波的削弱.........................................44
的波动方程：
(25)
1
2
2
2
2
−
∂
∂
∇=
ct
c
ϕ
ϕ
(26)
1
2
2
2
2
−
∂
∂
=
ct
s
ψ
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。
超声波衰减系数的测量word资料8页
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反射面反射波（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：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。
（4）物理模型的分析与比较比较分析可知，在实验室中，测量超声波在空气和水中的衰减系数最好利用驻波法，物理模型2、3不适用于测量。
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。
铸钢件超声波衰减系数测量及其影响因素
超 声波 检测具 有灵 敏度 高 、穿透 性强 、检 测 速度
快 、成 本低 和对 人体 无害 等优 点 ，且 可根 据缺 陷波形
特 性估 判缺 陷性 质 ，因而被 广 泛使用 于 大型铸 钢部 件ห้องสมุดไป่ตู้ 检 测 吲。材料 的衰减 系数 是影 响超声 波 检测 的一 个重
的对数函数ｌ Ｐ ）与声程 ｎ ｘ （ 的线性关系，来测量衰减 系数是个较好的方法 ；探头晶片尺寸 、频率对铸钢件超声波衰减 系数 有影 响，随晶片尺 寸增加 ，衰减 系数 呈先增后减趋势 ，而衰减 系数 随探 头频率 的增加而增加 。从衰减 系数对超声波检 测影响来看 ，铸钢件纵波直探头超声波检测宜选用低 频率 、晶片直径 约２ ｍｍ的探头。 ０
Ｐ Ｓ ｃ ｕ ｔ ｐ ｅ ｓ ｒ ｎ ｊ ｂ ａ ｊ ａ ｏ ｓｉ ｒ ｓ ｕ ｅ ａ ｄ Ｘ Ｓ ｅ ｍ ｐ ｔ ． ｊ ｂ ｔ ｒ ｅｈ ｄ ｏ ｃ ａ ｈ Ｓ ａ ｅｔ ｍ ｔ ｏ ｔ ｍ ｅ ｓ ｒ ｈ ａｔ ｎ ａ ｉｎ ｅ ａ ｕｅ ｔｅ ｔ ｕ ｔ ｅ ｏ
ｉｃ ｅ ｓ ｓｗｉ ｈ ｃ ｅ ｓ ｆ ｒ ｑ ｅ ｃ ． ｎ ｉｅ ｉｇ ｔ ｅｉｆ ｅ ｃ ｓｏ ｔ ｎ ａ ｉｎｃ ｅ ｉｉｎ ｎｔ ｅ ｎ ｒａ ｅ ｔ ｔ ｅ ｉ ｒ ａ ｅ ｏ ｅ ｕ ｎ ｙ Ｃｏ ｓｄ ｒ ｈ ｌ ｎ ｅ ｆ ｔ ｕ ｔ ｏ 仟ｃｅ ｔ ｈ ｈ ｎ ｆ ｎ ｎｕ ａ ｅ ｏ ｏ ｕｔ ｓ ｎｃ ｔ ｓ ｉｇ．Ｏ ｆｅ ｕ ｎ ｙ ａ ｄ ２ ｍ ｉｍ ｅｅ ｆｕｔａ ｏ ｉ ｔａ ｓ ｕ ｅ ｈ ｕｄ ｂ ｓ ｄ ｉ ｌａ ｏ ｉ ｅ ｔ ｒ ｎ ＩＷ ｒ ｑ ｅ ｃ ｎ ０ ｍ ｄａ ｔ ｒｏ ｌ ｓ ｎｃ ｒ ｎ ｄ ｃ ｒｓ ｏ ｌ ｅ ｕ ｅ ｎ ｒ ｌｎ ｉ ｄ ｎ ｌ ｖ ｒ ｂ ｌａ ｏ ｉ ｓｉｇ ｏ ｇｔ ｉａ ｕ ｗａ ｅ ｐ ｏ ｅ ｕｔ ｓ ｎｃｔ ｔ ． ｒ ｅ ｎ Ｋｅ ｒ ｓ ｓｅ Ｉ ａ ｔ ｇ ｍ ａｔ ｎ ｉｃｓａｎｅ ｓｓｅ ｌｕｔ ｓ ｎｃｔ ｓｉｇ ａｔ ｎ ａｉ ｏ ｆｉｉｎ ； ｅ ｅ ｔ ｙＷＯ ｄ ： ｔ ｅ ｓｉ ； ｒｅ ｓｔ ｔ ｉｌｓ ｔ ｅ； ｌａ ｏ ｉ ｔ ； ｔ ｕ ｔ ｃ ｅ ｃｅ ｔｄ ｆ ｃｓ ｃ ｎ ｉ ｒ ｅ ｎ ｅ ｏｎ
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。
超声波衰减
另外，井间地震技术作为油气田勘探开发领域的一项新技术已越来越受
到人们的重视。井间地震是井间地震学的重要组成部分
【22】
，它是一种在一
口井中激发，在另外一口或多口井中接收的地震勘探方法，该方法具有能量
传播距离短，接近探测目标，避开低速地层等特点，能够采集到高频率与高
5.2井间地震管波的实验观测.....................................38
5.3井间地震管波的传播机制.....................................43
5.4井间地震管波的削弱.........................................44
入射还是横波平面波入射，声脉冲碰到圆柱孔时都观测到爬波。其速度小于
体波速度，横波激发的爬波比纵波激发的爬波衰减慢。声脉冲在带状裂缝的
散射是声波在裂缝平直部分的散射和两个棱边反复散射的叠加。另外，还对
兰姆波的形成、传播、散射过程及声波在固体直角棱边的散射进行了实验观
测。
诸国桢先生也对固体中的声波传播进行了大量的研究。超声脉冲沿两种
发表论文和参加科研情况说明..........................................55
致谢......................................................................56
第一章绪论
不同介质构成的固-固界面传播
速度慢，声速和只与介质的参数有关，不依赖于声波的频率。对于平面
波，由
c
c
s
c
cs
c >c
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
超声波在不同介质中的传播速度及损耗系数测量-声学论文-物理论文
超声波在不同介质中的传播速度及损耗系数测量-声学论文-物理论文——文章均为WORD文档，下载后可直接编辑使用亦可打印——超声波是一种在弹性介质中传播的机械波，由于其具有波长短、传播方向性好等优点，在大学物理的声速测量实验中一般选择超声波段的声波进行测量。
超声波由于其频率高、功率大、穿透能力强、信息携带量大等特点，已广泛应用于工业、农业、生物医学以及科学研究等领域，如超声波测距和定位、超声波无损检测、超声波清洗等。
描述声波的物理量有波长、频率、传播速度、强度等，对这些量的测量是声学技术的重要内容，声速的测量在声波测距、定位和无损检测中有着广泛的应用。
声速测量实验属于大学物理实验中的基础性实验，一般仅开设超声波在空气中传播速度的测量，该部分原理简单，导致实验内容不饱满，因此，根据仪器特点，可将声速测量实验改造为超声波专题设计综合实验，增设一些设计性实验内容。
测量超声波在不同介质中的传播速度;研究同一介质中随发射和接收端距离变化，接收端振幅的变化规律;计算不同介质中超声波的损耗系数等。
对于实验数据的处理要求学生使用Origin、Matlab 等软件辅助完成，在学习物理内容的同时，熟练掌握常用数据处理软件的使用，不断挖掘学生学习的积极主动性，培养学生的创新意识和能力。
1 实验原理超声波传播速度常用的测量方法有共振干涉法、相位法、反射回波法等，本文采用共振干涉法研究不同介质中超声波的传播特性。
共振干涉法又称驻波法，实验装置如图 1 所示，由示波器、声速测量仪和信号发生器组成，S1和S2为压电陶瓷换能器，利用压电效应实现声压和电压之间的相互转换。
在信号发生器产生的交变电压作用下，使发射端S1产生机械振动，将激发的超声波经介质传播到接收端S2，若接收面与发射面平行，声波在接收面处就会被垂直反射，当接收端与发射端距离恰好等于半波长的整数倍时，两波叠加后形成驻波，当信号发生器的激励频率等于压电陶瓷换能器的固有频率时，会产生驻波共振。
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
驻波法测超声波衰减系数
值 。 ４给 出了换 能器具 有 不 同反 射 系数 ｒ 时 ， 图 值 简 单波 法测 出的 口值 。 以看 到 ， ｒ 从 ０ ９ ９ 可 当 值 ． ９ ９ ４减小 时 ， 单 波 法 得 到 的 数 据 逐 渐 靠 近 真 实 简 值 。 ｒ ０ ６ ９时 ， 当 ＜ ．１ 简单 波法 得到 的 ｎ值 较 为可
驻 波 法 测 超 声 波 衰 减 系 数
参 考文 献 ：
［ ］ 陈洁 ， １ 苏建新 ． 速 测 量实 验有 关 问题 的研 究 ［ ］ 声 Ｊ．
物 理 实 验 ，０８ ２ （ ）３ －３ ２ ０ ，８ ６ ：１３ ．
［ ３ 赵 新 闻． 速 测定 中“ 波共 振 ” 件 的讨论 ［ ］ ４ 声 驻 条 Ｊ．
ｄ， 由于 Ｕ Ｏ ， ２ Ｕ 与 ｄ值依 照 （） Ｃｊ将 ｌ ｒ ｎ ２ 式做最
小二 乘法 ， 拟合 出 １值 。 ２ 以Ｓ 为 原点 ， 方 向为 正 方 向 ， Ｓ 一Ｓ 建立 ． ｚ
轴。 Ｐ 用 和 Ｐ一 分别表 示 沿 轴正 向和负 向传播
的声 压波 。 Ｓ 表 面 的原 始声 压为 Ｐ０则 Ｓ 发 出 设 １ ， 的第一 次 正 向波在接 收探 头 Ｓ 表 面的声 压为 。
驻 波 法 测超 声 波 衰 减 系数
刘宁宁 余琳琳。喻 孜 林扬 帆 张贵清 ， ， ， ，
（． 京 工 程 学 院 ， 京 １南 南 ２ ０ ３ ；． 京 林 业 大 学 ， 京 １０７２南 南 ２０３） １ ０ ７
摘
要： 用驻 波 法 测 量 超 声 波 在 空 气 中衰 减 系数 的 实 验 方 法 。与 前 人 的 方 法 进 行 比较 。新 的测 量
中 图 分 类 号 ： ２ Ｏ４２
超声波的测量实验报告
超声波的测量实验报告
《超声波的测量实验报告》
超声波是一种高频声波，它在许多领域都有着广泛的应用，包括医学、工业和
科学研究等。
在本次实验中，我们将对超声波进行测量实验，以了解其在不同
环境中的传播特性和应用潜力。
实验一开始，我们使用超声波发射器将超声波发送到被测物体上，并通过超声
波接收器来接收反射回来的超声波信号。
通过测量超声波的传播时间和接收到
的信号强度，我们可以计算出被测物体的距离和表面特性。
在实验中，我们发现超声波在不同材料中的传播速度和衰减特性有所不同。
例如，超声波在空气中的传播速度较快，而在固体材料中的传播速度较慢。
此外，超声波在传播过程中会受到材料的吸收和散射，导致信号强度的衰减。
因此，
我们需要根据被测物体的特性来选择合适的超声波参数和测量方法。
除了距离测量外，超声波还可以用于材料的缺陷检测、流体流速测量和医学成
像等应用。
通过对超声波的测量实验，我们可以更好地理解超声波的传播特性
和应用潜力，为其在不同领域的应用提供技术支持和指导。
总的来说，本次超声波的测量实验为我们提供了宝贵的实验数据和经验，为超
声波技。
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。
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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：O X 0 X()(){}()()()(){}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----=-++-⎡⎤⎡⎤⎣⎦⎣⎦⎡⎤⎡⎤=+----⎣⎦⎣⎦（3）合成波各点均作简谐振动，其振幅分布为：()()12002222002Re cos2x 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=n λ/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x和峰值电压i U，记i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 UA 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。
图5.超声波在空气中衰减率拟合曲线（方波信号）（2）测量超声波在水中的衰减系数（正弦波作为发射信号）用正弦波作为发射信号，在频率f=514kHz、幅值U=15Vpp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六。
实验数据记录表格表六：测量超声波在水中的衰减系数（正弦波发射信号）次数 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 距离（mm） 1.1 2.8 4.1 5.5 6.8 8.2 9.6 11 12.9 14.1 电压（V）12.2 12.4 12.4 12.2 12.0 11.8 11.4 11.2 11 10.8 次数11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 距离（mm）16.0 17.1 18.0 19.6 21.3 23 25.8 27.5 28.2 30 电压（V）10.7 10.6 10.3 10.3 10.2 10.2 10.2 10.2 9.8 9.8 次数21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 距离（mm）31.2 32.5 34.6 36 40.1 44.2 52.9 58.9 76 94.9电压（V）9.8 9.6 9.4 9.4 9.2 9 8.6 8.2 7.3 6.2数据分析根据实验记录的数据，可以拟合出如下曲线：图6，得到实验所测的衰减系数。