超声波衰减系数 物理实验报告

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

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首次实验时间年月日

时段：

指导教师签字

目录

一、实验任务

二、实验要求

三、实验方案

１、物理模型的比较与选择

２、实验方法的比较与选择

３、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

４、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

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。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、物理模型的比较与选择

(1)驻波法：当信号源输出的正弦波接到发射换能器S1上时，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。

O X0X

(2)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。

(3)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。

２、实验方法的比较与选择

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

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r<0.619时,用简单波拟合得到的衰减系数才比较可信。

３、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

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。

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i x 时，示波器显示电压数值

为i U ，则

()()0

ln 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。

(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

４、测量条件与最佳参数的确定

(1)测量条件

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100kHz——2MHz之间。

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

x和峰值电压

i

U，记入实验表格；

i

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。