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：
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
O
X 0
X
()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)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。

驻波法利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。

测量
结果更加科学。

2、实验步骤
实验一
1、按照空气中衰减实验装置示意图正确连接线路；
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i x和峰值电压i U，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；
7、对实验所得数据进行处理，拟合曲线，分析数据。

空气中衰减实验数据（峰峰值法）
次数距离(mm) 电压(v) 次数距离(mm) 电压(v)
1 0 60.4 11 46.85 11.6
2 4.38 45.6 12 51.49 10.7
3 9.12 35.8 13 56.28 9.6
4 13.84 28.8 14 61.04 9.86
5 18.59 25.2 15 65.
6 8.16
6 23.25 19.6 16 70.25 7.6
7 27.9 16.8 17 74.91 7.32
8 32.72 15.4 18 79.56 6.92
9 37.35 14.6 19 84.34 6.6
10 42.12 13.4 20 89.12 6.44
衰减系数为0.0234
空气中衰减实验数据（李萨茹法）
次数距离(mm) 电压(v) 次数距离(mm) 电压(v)
1 4.5
2 45.2 11 51.5
3 10.2
2 9.22 36.4 12 56.29 9.4
3 13.93 28.8 13 60.92 8.6
4 18.64 25.2 14 65.64 8.02
5 23.35 18 15 70.27 7.12
6 28.0
7 16.4 16 74.96 6.6
7 32.8 14.4 17 79.57 6.36
8 37.4 13 18 84.43 6.4
9 42.1 12.4 19 89.16 6.2
10 46.85 11.6 20 93.78 6.16
衰减系数为0.0215
实验二
实验步骤
1、按照水中衰减实验装置示意图正确连接线路；
2、重复上述实验的步骤，得到若干组数据。

3、对实验所得数据进行处理，拟合曲线，分析数据。

空气中衰减实验数据峰峰值法
次数距离(mm) 电压(v)
1 20.86 3.28
2 45.35 2.82
3 67.
4 2.4
4 87.57 1.8
5 111.84 1.27
6 137.8 1.06
7 155.18 1.03
在水中的衰减系数为0.0096
空气中衰减实验数据李萨茹法
次数距离(mm) 电压(v)
1 21.54 3.58
2 43.97 3.12
3 68.45 2.53
4 87.2
5 2.03
5 109.4
6 1.53
6 131.14 1.42
7 153.75 1.12
8 185.35 0.82
水中的衰减系数为0.0092
实验三
1、将正弦信号改为方波重复上述步骤；分别测出水中和空气中的衰减系数。

（空气中：占空比50%，f=37.6khz，U=15V；水中：占空比50%，f=500khz，U=20V)
2、对实验所得数据进行处理，拟合曲线，分析数据。

空气中衰减实验数据（方波法）
次数距离(mm) 电压(v)
1 4.49 5.24
2 9.1
3 4.8
3 13.79 4.48
4 18.43 4.12
5 23.04 3.88
6 27.88 3.56
7 32.36 3.28
8 36.99 2.96
9 41.6 2.64
10 46.23 2.3
11 50.91 2.04
衰减系数为0.0197
水中衰减实验数据（方波法）
次数距离(mm) 电压(v)
1 1.1 11.4
2 2.8 11.1
3 4.1 10.5
4 5.6 10
5 6.8 9.9
6 8.1 9.84 7
9.4
9.68
衰减系数为0.0209 3、原理分析
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 π
λ
=
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----=-++-⎡⎤⎡⎤⎣⎦⎣⎦
⎡⎤⎡⎤=+----⎣⎦⎣⎦
（3）
合成波各点均作简谐振动，其振幅分布为：
()
()1
2
00
2222002Re
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：
00
A 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。

五、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。

六、参考文献：
[1]一种测量固态材料超声波衰减系数的方法申请号/专利号：201210081235
[2]驻波法测超声波衰减系数--《大学物理实验》2011年05期
[3]非金属复合材料超声波衰减系数测定研究《测量技术学报》2002年04期。