超聲波衰減系數(shù) 物理實(shí)驗(yàn)報(bào)告

1、北 京 交 通 大 學(xué)大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)題目 超聲波衰減系數(shù)的測(cè)量 學(xué)院 電子信息工程學(xué)院班級(jí) 通信1306 學(xué)號(hào) 姓名 首次實(shí)驗(yàn)時(shí)間年月日時(shí)段：指導(dǎo)教師簽字 目錄一、實(shí)驗(yàn)任務(wù) 二、實(shí)驗(yàn)要求 三、實(shí)驗(yàn)方案 、物理模型的比較與選擇 、實(shí)驗(yàn)方法的比較與選擇 、儀器的選擇與配套（系統(tǒng)誤差分析） (1)誤差公式的推導(dǎo) (2)儀器的選擇 、測(cè)量條件與最佳參數(shù)的確定 (1)測(cè)量條件(2)最佳參數(shù)四、實(shí)驗(yàn)步驟五、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及結(jié)論六、實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)七、參考文獻(xiàn)超聲波衰減系數(shù)的測(cè)量一、實(shí)驗(yàn)任務(wù)超聲波在介質(zhì)中傳播，聲波衰減與介質(zhì)的特性和狀態(tài)有關(guān)系，試用超聲聲速測(cè)定儀研究超聲波在空氣和液體（水）中的衰減系數(shù)。要

2、求衰減系數(shù)測(cè)量誤差不大于5%。二、實(shí)驗(yàn)要求1、參閱相關(guān)資料，了解超聲波換能器種類(lèi)，特別是壓電式超聲換能器工作原理。了解超聲波在不同介質(zhì)中的傳播特性。2、熟悉超聲聲速測(cè)定儀和示波器的使用方法。3、采用兩種頻率的正弦波分別測(cè)試超聲波空氣和液體（水）中的衰減系數(shù)，并確認(rèn)數(shù)據(jù)結(jié)果的誤差符合設(shè)計(jì)要求。4、采用方波或脈沖波再分別測(cè)試超聲波空氣和液體（水）中的衰減系數(shù)，并確認(rèn)數(shù)據(jù)結(jié)果的誤差符合設(shè)計(jì)要求。三、實(shí)驗(yàn)方案、物理模型的比較與選擇(1) 駐波法：當(dāng)信號(hào)源輸出的正弦波接到發(fā)射換能器S1上時(shí)，換能器的表面發(fā)出超聲波，該超聲波到達(dá)接收換能器S2上，一部分被反射。當(dāng)兩個(gè)換能器端面的距離恰好為半波長(zhǎng)的整數(shù)倍時(shí)，

3、 即 k=1,2入射波與反射波相互疊加恰好形成駐波。駐波相鄰兩個(gè)波節(jié)或波腹間距離為半個(gè)波長(zhǎng)。由于超聲波是縱波。聲學(xué)量可用聲壓對(duì)其進(jìn)行描述。接收器接收到的聲壓轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，并由示波器顯示出其電壓值。要說(shuō)明的是：在超聲駐波中，波腹處聲壓小，接收器輸出的電壓幅值??；波節(jié)處聲壓大，接收器上輸出的電壓幅值也大。這樣可以根據(jù)換能器輸出的電壓信號(hào)幅度的大小來(lái)求波長(zhǎng)。本實(shí)驗(yàn)應(yīng)用共振干涉法測(cè)量超聲波在介質(zhì)中的衰減系數(shù)和反射系數(shù)。圖為超聲波波束在空氣中的傳播和反射。超聲波發(fā)生器超聲波接收器反射面入射波反射波OX0X(2) 測(cè)量固態(tài)材料超聲波衰減系數(shù)：選取需要測(cè)量的固態(tài)材料作為樣品；選用超聲波檢測(cè)儀器，利用需要測(cè)

4、量固態(tài)材料對(duì)超聲波檢測(cè)儀器進(jìn)行調(diào)校；使用調(diào)整好的超聲波儀器，采用常規(guī)超聲波檢測(cè)方法對(duì)需要測(cè)量的固態(tài)材料進(jìn)行超聲波檢測(cè)，至少記錄次超聲波回波的聲壓幅值及聲程值；按記錄的超聲波回波的聲壓幅值、聲程值，用常規(guī)方法建立聲壓、聲程乘積對(duì)數(shù)函數(shù)與聲程曲線圖；使用所建立的曲線圖進(jìn)行線性擬合，擬合出線性函數(shù)關(guān)系式，線性函數(shù)式斜率即為現(xiàn)場(chǎng)被測(cè)量固態(tài)材料的超聲波衰減系數(shù)。(3)脈沖反射法：，利用超聲波聲壓、聲程乘積的自然對(duì)數(shù)與聲程成線性關(guān)系，來(lái)測(cè)量鋼鑄件超聲波衰減系數(shù)。、實(shí)驗(yàn)方法的比較與選擇由于實(shí)驗(yàn)室可提供的測(cè)量介質(zhì)為液體和氣體所以模型（2）不可使用，而模型三不如模型（1）操作方便，故選用模型（1）進(jìn)行測(cè)量。數(shù)值

5、模擬和實(shí)驗(yàn)操作都發(fā)現(xiàn)測(cè)量聲速時(shí)，示波器顯示接收端波形振幅會(huì)衰減。這暗示了可利用該方法測(cè)量超聲波的衰減系數(shù)。用示波器測(cè)量得到電壓，通過(guò)平面波的衰減公式擬合得到了聲強(qiáng)衰減系數(shù)。用駐波法測(cè)量超聲波在空氣中衰減系數(shù)的實(shí)驗(yàn)方法更符合實(shí)際。當(dāng)換能器反射系數(shù)r<0.619時(shí),用簡(jiǎn)單波擬合得到的衰減系數(shù)才比較可信。、儀器的選擇與配套（系統(tǒng)誤差分析）(1)誤差公式的推導(dǎo)超聲波在損耗介質(zhì)中的準(zhǔn)駐波效應(yīng)其中，為反射系數(shù)， 是介質(zhì)的衰減系數(shù)。因?yàn)槌暡òl(fā)生器和接收器是由同一材料制成，所以有： 其中是信號(hào)發(fā)生器輸出電壓數(shù)值，U是示波器顯示電壓數(shù)值。主要誤差來(lái)自于讀數(shù)誤差，且聲速受到環(huán)境影響。設(shè)超聲波接收器在任意波

6、峰位置處時(shí)，示波器顯示電壓數(shù)值為，則（7）令（8）（9）則（7）式可以寫(xiě)成：（10）利用直線擬合方法，可以測(cè)量超聲波在介質(zhì)中的衰減系數(shù)。(2)儀器的選擇聲速測(cè)量?jī)x（由壓電陶瓷換能器、帶有標(biāo)尺的底座和讀數(shù)裝置組成）、信號(hào)發(fā)生器和示波器、測(cè)量條件與最佳參數(shù)的確定(1)測(cè)量條件信號(hào)源與換能器固有頻率一致，在諧振情況下進(jìn)行測(cè)量。壓電換能系統(tǒng)有一諧振頻率，當(dāng)外加強(qiáng)迫力的頻率等于諧振頻率時(shí)，壓電換能器產(chǎn)生機(jī)械諧振，此時(shí)得到電信號(hào)最強(qiáng)，它作為接收器的靈敏度最高；當(dāng)輸入電信號(hào)使壓電換能器產(chǎn)生機(jī)械諧振時(shí)，它的振幅最大，作為波源的輻射功率也就最大。(2)最佳參數(shù)空氣中超聲波換能器的工作頻率在37 kHz 附近，液

7、體中超聲波換能器的工作頻率在100kHz2MHz之間。四、實(shí)驗(yàn)步驟1、如圖正確連接線路；2、調(diào)節(jié)信號(hào)發(fā)生器輸出正弦信號(hào)的頻率，達(dá)到與換能器諧振；3、在共振條件下，調(diào)節(jié)發(fā)射頭和接收頭的距離，當(dāng)示波器上出現(xiàn)振幅最大時(shí)，記下峰值處的位置坐標(biāo)和峰值電壓，記入實(shí)驗(yàn)表格；4、多次重復(fù)步驟3，得到若干組數(shù)據(jù)。5、改變正弦信號(hào)的頻率，重復(fù)上述步驟；6、將正弦信號(hào)改為方波或脈沖波重復(fù)上述步驟；7、對(duì)實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，擬合曲線，分析數(shù)據(jù)。五、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及結(jié)論1.空氣中超聲波衰減系數(shù)的測(cè)量空氣中超聲波駐波波峰位置及峰值電壓測(cè)量第一次實(shí)驗(yàn)第二次實(shí)驗(yàn)第三次實(shí)驗(yàn)頻率f=37.43kHz、正弦波形頻率f=37.93kHz

8、、正弦波形頻率f=36.93kHz、正弦波形峰值距離/mm峰值電壓/V峰值距離/mm峰值電壓/V峰值距離/mm峰值電壓/V18.998.41.775.481.452.02211.168.86.672.886.761.44315.386.7210.932.1211.761.06420.525.1215.41.7616.520.84524.92420.571.3220.650.56629.243.5224.690.88325.290.42734.573.229.210.84530.530.384838.632.8833.50.80734.770.34943.212.5638.750.6440.25

9、0.3241048.482.2643.890.56844.580.2841152.772.0247.340.5649.070.2521257.171.7852.620.48253.770.2121361.491.9256.720.45158.560.1921466.491.7261.290.38663.070.1841571.111.666.380.34467.730.161675.451.670.590.3121780.551.6275.970.3441885.111.621989.341.442094.41.422198.821.322103.151.3223108.371.324112.

10、761.222. 水中超聲波衰減系數(shù)的測(cè)量空氣中超聲波駐波波峰位置及峰值電壓測(cè)量第一次實(shí)驗(yàn)第二次實(shí)驗(yàn)第三次實(shí)驗(yàn)頻率f=37.7kHz、正弦波行頻率f=38.2kHz、正弦波行頻率f=37.2kHz、正弦波行峰值距離/mm峰值電壓/V峰值距離/mm峰值電壓/V峰值距離/mm峰值電壓/V116.755.763.363.8421.24.96240.015.4417.113.5242.313.12361.425.2435.552.5658.783.04479.234.4455.582.1279.122.485102.133.8473.451.1295.311.846118.732.7693.380.982115.761.647138.32.6115.640.828140.671.58159.112.139181.641.6410199.810.86六、實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)1、實(shí)驗(yàn)前，了解超聲波換能器種類(lèi)，特別是壓電式超聲換能器工作原理，了解超聲波在不同介質(zhì)中的傳播特性。2、熟悉超聲聲速測(cè)定儀和示波器的使用方法。3、實(shí)驗(yàn)時(shí)用一個(gè)換能器作為發(fā)射頭，另一個(gè)為接收頭，兩換能器的面保持互相平行。4、在實(shí)驗(yàn)中要及時(shí)記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)較多，要記全。5、每次實(shí)驗(yàn)完成后，要整理好實(shí)驗(yàn)儀器方可離開(kāi)實(shí)驗(yàn)室。七、參考文獻(xiàn)1成正維,牛原.大學(xué)物理實(shí)