物质的衰减系数测定实验报告
物理072 陈焕 07180217
摘要：本文主要介绍了钢的γ射线衰减系数测定的实验原理，最小二乘法原理以及测定的实验过程，最后是对得到的数据的分析和实验总结。
关键词：钢的γ射线衰减系数 最小二乘法原理 实验过程 数据的分析 实验总结
引言：
核物理学又称原子核物理学，是20世纪新建立的一个物理学分支。它研究原子核的结构和变化规律；射线束的产生、探测和分析技术；以及同核能、核技术应用有关的物理问题。它是一门既有深刻理论意义，又有重大实践意义的学科。
γ射线由法国科学家P.V .维拉德发现，是继α、β射线后发现的第三种原子核射线。g 射线是因核能级间的跃迁而产生，原子核衰变和核反应均可产生γ射线 。γ射线具有比X 射线还要强的穿透能力。当γ射线通过物质并与原子相互作用时会产生光电效应、康普顿效应和正负电子对三种效应。
一、实验仪器和材料：
CD-5OBGA+型CT 教学实验仪 钢质台阶形测试件
二、实验原理
根据g 射线通过物质时的衰减规律（朗伯—比尔定律）：
0d I I e m -=
对上式取对数：
01ln()I d I
m = 如果通过实验测得g 射线穿过不同厚度钢的计数值，通过最小二乘法可以求得钢的衰减系数。
γ射线与物质相互作用，可以有许多种方式。当γ射线的能量不太高时，在所有相互作用方式中，最主要的三种方式包括光电效应、康普顿效应和电子对效应。因此，在γ射线的能量不太高时，衰减截面是光电效应截面、康普顿效应截面和电子对效应截面之和。即：
ph c p g s s s s =++
γ射线与物质相互作用的衰减系数：
N g m s = 由于A N A N r =×，式中A 为原子质量数，A N 为阿伏伽德罗常数。
A A N g
s m r \= ×
令m A A N g
s m =×，m m 称为质量衰减系数，则g 射线穿过物质的距离d 时的强度
衰减为：
0m d I I e m r -= 上式可以看出，γ射线的衰减与物质的密度有关，物质的密度越大，射线衰减越快。
三、最小二乘法拟合直线
最小二乘法拟合曲线的原理是：若能找到最佳的拟合曲线，那么该拟合曲线与各测量值之偏差的平方和，在所有拟合曲线中应最小。
现假设0(,())I d ln I 存在线性关系，其函数关系为：0()I ln k d I
= 。由实验测量出一组数据(,,0,1,2,3,4,5)i i I d i =，因为测量总会有误差，所以,i i I d 都有误差，但i d 的误差小得多，为了讨论简便，我们认为i d 值是准确的，而所有误差都只与i I 有关。
根据最小乘法原理，有偏差平方和为最小，即：
55
2
000[ln ]i i i I V k d I ===- 邋 在上式中，,i i d I （0d =0时，0i I I =）是已经测量的量，上式只有一个变量，上式两边对k 求偏导数为零，即： 5
000
2[ln ]0i i I k d d I =--鬃=? 即： 500520
ln i i i
i i I d I k d ==×=??
k 为各物质的衰减系数：μ=k 。
三、实验过程
实验过程使用的是CD-50BGA+型CT 教学实验仪，将钢块放在扫描台上，点开软件，设置时间为0.4s ，并检验扫描的部位位于钢块从上往下看的三分之一处，然后开始扫描，重复3次。结束后导出数据，进行数据采集、记录γ射线穿过不同厚度钢的计数值，用最小二乘法拟合成直线，计算出衰减系数。
四、实验数据
数据见附表。
五、实验总结与体会
最终得到的μ=0.05541mm -，扫描的图像是衰减后的计数值与钢的厚度的关系。
做完本次实验让我联想到上学期做的γ射线吸收系数测定实验，两者相比较，最大的区别在于本次测量针对物质，上学期针对的是射线本身；从实验仪器上来看，本次实验使用的是CT 教学实验仪，γ射线吸收系数实验用的是相对论效应实验仪；从数据处理上来看，本次实验用最小二乘法拟合直线求衰减系数，误差减小，而γ射线吸收系数实验直接计算，再求平均值。相同点在于两个基本公式都一样，都是0d I I e m -= ，测量的都是计数值和样品的厚度，所以数值上相差不大。
声波的衰减函数 声波在介质中传播时会被吸收而减弱，气体吸收最强而衰减最大，液体其次，固体吸收最小而衰减最小，因此对于一给定强度的声波，在气体中传播的距离会明显比在液体和固体传播的距离短。 一个声音在传播过程中将越来越微弱，这就是声波的衰减。造成声波衰减的原因有以下三个: 1.扩散衰减 物体振动发出的声波向四周传播，声波能量逐渐扩散开来。能量的扩散使得单位面积上所存在的能量减小，听到的声音就变得微弱。单位面积上的声波能量随着声源距离的平方而递减。 2.吸收衰减 声波在固体介质中传播时，由于介质的粘滞性而造成质点之间的内摩擦，从而使一部分声能转变为热能；同时，由于介质的热传导，介质的稠密和稀疏部分之间进行热交换，从而导致声能的损耗，这就是介质的吸收现象。介质的这种衰减称为吸收衰减。通常认为，吸收衰减与声波频率的平方成正比。 频率越高超声波越容易被吸收，随着传播距离增加超声波被吸收的越多，由于距离增加会使超声波吸收太多反射回来成像的强度减低。 3.散射衰减 当介质中存在颗粒状结构(液体中的悬浮粒子、气泡，固体中的颗粒状结构、缺陷、搀杂物等)而导致声波的衰减称散射衰减。通常认为当颗粒的尺寸远小于波长时，散射衰减与频率的四次方成正比；当颗粒尺寸与波长相近时，散射衰减与频率的平方成正比。 扩散衰减只与距声源的距离有关，与介质本身的性质无关。吸收衰减与散射衰减大小则取决于声波的频率和介质本身的性质。 表示声波在某种介质中传播时衰减的大小用衰减系数α。衰减系数α按下式计算: α=1 x 20lg A A0 式中x——距声源的距离；A0——声源处的声压；A——所测量处的声压。 从式可看到，所谓衰减系数就是声波在传播路径上单位长度上的衰减量。简单点说，介质致密的物体衰减小，象钢管，漏水声可以沿钢管传播很远，所以，在钢、铁类管道上很容易收索到漏水目标。松散的物体，声衰减很大，传播距离很短。对于同一类物体，声波频率越低，传播距离则越远。如以一较高频率对结构松散、密度差的介质作声波探测时，由于该介质中存在着折射、绕射以及可能出现的多次反射和散射等现象，至使高频率声波无法按原有射线方向传播，声速衰减快，探测无法进行。如降低探测声波的频率，使波长加大，其声波便可穿透较大距离。管道泄漏形成的声波一般频率较低，这是测漏仪能实用于各种地面漏水探测的理论依据。
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
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 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----=-++-???????? ????=+----???? O X 0 X
物质的衰减系数测定实验报告 物理072 陈焕 07180217 摘要：本文主要介绍了钢的γ射线衰减系数测定的实验原理，最小二乘法原理以及测定的实验过程，最后是对得到的数据的分析和实验总结。 关键词：钢的γ射线衰减系数 最小二乘法原理 实验过程 数据的分析 实验总结 引言： 核物理学又称原子核物理学，是20世纪新建立的一个物理学分支。它研究原子核的结构和变化规律；射线束的产生、探测和分析技术；以及同核能、核技术应用有关的物理问题。它是一门既有深刻理论意义，又有重大实践意义的学科。 γ射线由法国科学家P.V .维拉德发现，是继α、β射线后发现的第三种原子核射线。g 射线是因核能级间的跃迁而产生，原子核衰变和核反应均可产生γ射线 。γ射线具有比X 射线还要强的穿透能力。当γ射线通过物质并与原子相互作用时会产生光电效应、康普顿效应和正负电子对三种效应。 一、实验仪器和材料： CD-5OBGA+型CT 教学实验仪 钢质台阶形测试件 二、实验原理 根据g 射线通过物质时的衰减规律（朗伯—比尔定律）： 0d I I e m -= 对上式取对数： 01ln()I d I m = 如果通过实验测得g 射线穿过不同厚度钢的计数值，通过最小二乘法可以求得钢的衰减系数。 γ射线与物质相互作用，可以有许多种方式。当γ射线的能量不太高时，在所有相互作用方式中，最主要的三种方式包括光电效应、康普顿效应和电子对效应。因此，在γ射线的能量不太高时，衰减截面是光电效应截面、康普顿效应截面和电子对效应截面之和。即： ph c p g s s s s =++ γ射线与物质相互作用的衰减系数： N g m s = 由于A N A N r =×，式中A 为原子质量数，A N 为阿伏伽德罗常数。 A A N g s m r \= ×
物质的衰减系数测量实验报告 物理081班任希08180123 摘要：在本实验中，我们了解了影响物质射线衰减系数大小的因素，利用CT教学实验仪，最终通过最小二乘法拟合曲线测量γ射线能量为0.662MeV时钢的衰减系数，由原理可知曲线的斜率就是衰减系数。 关键字：γ射线、衰减系数、最小二乘法拟合 引言： γ射线是原子衰变裂解时放出的射线之一。此种电磁波波长极短，穿透力很强，又携带高能量。1900年由法国科学家P.V.维拉德（Paul Ulrich Villard）发现，将含镭的氯化钡通过阴极射线，从照片记录上看到辐射穿过0.2毫米的铅箔，拉塞福称这一贯穿力非常强的辐射为γ射线，是继α、β射线后发现的第三种原子核射线。1913年，γ射线被证实为是电磁波，由原子核内部自受激态至基态时所放出来的，γ跃迁可定义为一个核由激发态到较低的激发态、而原子序数Z和质数A均保持不变的退激发过程。范围波长为0.1 埃，和X射线极为相似，但具有比X射线还要强的穿透能力。γ射线通过物质并与原子相互作用时会产生光电效应、康普顿效应和正负电子对效应。γ射线是光子，光子会与被束缚在原子中的电子、自由电子、库伦场、核子等带电体发生相互作用。 不同能量的γ射线与物质的相互作用效果不同，为了有效地屏蔽γ辐射，需要根据物质对γ射线的吸收规律来选择合适的材料及厚度，反之，利用物质对γ射线的吸收规律可以进行探伤及测厚等。因此研究不同物质对γ射线的吸收规律的现实意义非常巨大，如在核技术的应用与辐射防护设计和材料科学等许多领域都有应用。医学：γ射线成像是一种实用技术，能帮助医生诊断疾患，如癌症等。工业：γ射线料位计和探伤仪生物学：γ射线人工诱导植物及微生物基因突变，筛选对人类有价值的新品种。军事：在尽可能小地破坏建筑的情况下，造成生命体无法愈合的损害甚至杀死生命体。 γ光子在每一次相互作用中都会损失一部分或全部能量，因此，当γ射线通过物质时，原射线强度会逐渐减弱。本次实验中我们将要测量物质的衰减系数。
光纤衰减系数 衰耗系数是多模光纤和单模光纤最重要的特性参数之一，在很大程度上决定了多模和单模光纤通信的中继距离。 衰耗系数的定义为：每公里光纤对光信号功率的衰减值。其表达式为：a= 10 lg Pi/Po 单位为dB/km 其中：Pi 为输入光功率值（W 瓦特） Po 为输出光功率值（W 瓦特） 假如某光纤的衰耗系数为a=3dB/km，则意味着经过一公里光纤传输Pi/Po= 10 0.3= 2后，其光信号功率值减小了一半。长度为L 公里的光纤总的衰耗值为A=aL 。 对于单模光纤，按照0.18dB/km 的衰耗。对于一个光信号，若经过EDFA 放大后输出功率为+5dBm ，其接收端的接收灵敏度若为-28dBm ，则放大增益为33dB ，除以衰耗系数，除数距离为33/0.18=183公里，考虑老化等裕度，可传输120km 以上。 使光纤产生衰耗的原因很多，主要有：吸收衰耗，包括杂质吸收和本征吸收；散射衰耗，包括线性散射、非线性散射和结构不完整散射等；其它衰耗，包括微弯曲衰耗等。 其中最主要的是杂质吸收引起衰耗。在光纤材料中的杂质如氢氧根离子、过渡金属离子对光的吸收能力极强，它们是产生光信号衰减的重要因数。因此，要想获得低衰耗光纤，必须对制造光纤用的原材料二氧化硅进行十分严格的化学提纯，使其杂质的含量降到几个PPb 以下。 散射损耗通常是由于光纤材料密度的微观变化，以及所含SiO2 、GeO2 和
P2O5 等成分的浓度不均匀，使得光纤中出现一些折射率分布不均匀的局部区域，从而引起光的散射，将一部分光功率散射到光纤外部引起损耗；或者在 制造光纤的过程中，在纤芯和包层交界面上出现某些缺陷、残留一些气泡和气痕等。这些结构上有缺陷的几何尺寸远大于光波，引起与波长无关的散射损耗，并且将整个光纤损耗谱曲线上移，但这种散射损耗相对前一种散射损耗而言要小得多。 综合以上几个方面的损耗，单模光纤在1310nm 和1550nm 波长区的衰减常数一般分别为0.3~0.4dB/km(1310nm) 和0.17~0.25dB/km(1550nm) 。ITU-TG.652 建议规定光纤在1310nm 和1550nm 的衰减常数应分别小于0.5dB/km 和0.4dB/km 。
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 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） O X 0 X
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。 三、实验过程：
2．1 超声波的定义 波是由某一点开始的扰动所引起的，并按预定的方式传播或传输到其他点上。声波是一种弹性机械波。人们所感觉到的声音是机械波传到人耳引起耳膜振动的反应，能引起人们听觉的机械波频率在20Hz~20KHz ，超声波是频率大于20KHz 的机械波。 在超声波测距系统中，用脉冲激励超声波探头的压电晶片，使其产生机械振动，这种振动在与其接触的介质中传播，便形成了超声波。 2．2超声波的物理特性 当声波从一种介质传播到另一种介质时，在两介质的分界面上，一部分能量反射回原介质，称为反射波；另一部分能量透射过分界面，在另一个介质内部继续传播，称为折射波，如图2．1所示，图中L 为入射波，S ?为反射横波，L ?为反射纵波，L ?为折射纵波，S ?为折射横波。 L 图2．1超声波的反射、折射及其波形转换 这些物理现象均遵守反射定律、折射定律。除了有纵波的反射波折射波以外，还有横波的反射和折射。 因为声波是借助于传播介质中的质点运动而传播的，其传播方向与其振动方向一致，所以空气中的声波属于纵向振动的弹性机械波。在理想介质中，超声波的波动方程描述方法与电磁波是类似的。描述简谐声波向X 正方向传播的质点位移运动可表示为： ()cos()A A x t kx ω=+ （2.1） 0()ax A x A e -= （2.2） 式中，()A x 为振幅即质点的位移，0A 为常数，ω为角频率，t 为时间，x 为传播距离，2/k πλ=为波数，λ为波长，α为衰减系数。衰减系数与声波所在介质和频率关系： 2af α= （2.3）
式(2．3)中，a 为介质常数，f 为振动频率。 2．2．1超声波的衰减 从理论上讲，超声波衰减主要有三个方面： (1) 由声速扩展引起的衰减 在声波的传播过程中，随着传播距离的增大，非平面声波的声速不断扩展增大，因此单位面积上的声压随距离的增大而减弱，这种衰减称为扩散衰减。 (2) 由散射引起的衰减 由于实际材料不可能是绝对均匀的，例如材料中外来杂质金属中的第二相析出、晶粒的任意取向等均会导致整个材料声特性阻抗不均，从而引起声的散射。被散射的超声波在介质中沿着复杂的路径传播下去，最终变成热能，这种衰减称为散射衰减。 (3) 由介质的吸收引起的衰减 超声波在介质中传播时，内于介质的粘滞性而造成质点之间的内摩擦，从而使一部分声能转变成热能。同时，由于介质的热传导，介质的稠密和稀疏部分之间进行热交换，从而导致声能的损耗，以及由于分子驰豫造成的吸收，这些都是介质的吸收现象，这种衰减称为吸收衰减。 扩散衰减仅取决于波的几何形状而与传播介质的性质无关。对于大多数金属和固体介质来说，通常所说的超声波的衰减，即p(衰减系数)表征的衰减仅包括散射衰减和吸收衰减而不包括扩散衰减。因此，空气介质的衰减系数也由两部分组成，可由下式表示： 22222238211()3v P f f K C C C C πηπβρρ=++ (2.4) 式中：K ：热传导系数 f ：超声波频率 η：动力粘滞系数 C ：超声波传播速度 v C ：定容比热 p C ：定压比热 ρ：传播介质密度 式(2．4)中第一项是由内摩擦引起的衰减系数，第二项是由热传导引起的衰减系数，由于后者比前者小得多，故在忽略热传导引起的超声波衰减的情况下，衰减系数可以由下式表示： 223 83f C πηβρ= （2.5） 把C = 2.5）可得： 3223 322283()M f R T β πηργ=?? (2.6) 由式(2．6)可知：温度一定时，η、 ρ、T 均一定，衰减系数与频率的平方成正比；频率越高，衰减的系数就越大，传播的距离也就越短。在实际应用
南昌大学物理实验报告课程名称：普通物理实验（2） 实验名称：声波衰减系数的测量 学院：专业班级： 学生姓名：学号： 实验地点：座位号： 实验时间：
一、实验目的： 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、信号连接线等。 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： I d=I0?e ad 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，a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： I=p 2 2Z 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=g?F。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=k?E，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。压电陶瓷超声换能器产生的超声波频率比较单纯，方向性强，基本上是一个平面波，这对于提高测量的精密度是有利的。 3、衰减系数的确定 声压与电压关系 P=k?U 得
GB/T 28504.4—20XX 7附录A （规范性附录） 吸收系数测量方法 A.1范围 本方法适用于掺铒光纤吸收系数的测量。 A.2测量设备 A.2.1通则 吸收系数测试系统示意图见图A.1，应根据被测光纤的工作波段选择相应的测量仪器。测量仪器须经校准或检定合格，并在有效期内。宽带光源光谱分析仪 被测光纤 包层模剥除器图A.1 吸收系数测量系统示意图 A.2.2宽带光源根据测量波长选择合适的宽带光源，在测量范围内宽带光源的输出功率平坦度应小于5dB ，光源光功率应保证光纤不产生较强的ASE （放大自发辐射）光。 A.2.3光谱分析仪 接收经过光纤的光信号，分析并给出光谱特性。 A.3试样制备 A.3.1端面处理 剥去光纤两端的涂覆层，清洗干净，用专用光纤切割刀处理端面。 A.3.2光纤放置 将光纤均匀地绕在直径不小于165mm 的线轴上，缠绕时应避免出现扭曲。 A.4测试条件 在测量期间，环境条件应是标准试验大气条件： a)温度为15～35℃； b)相对湿度为25%~75%；
GB/T28504.4—20XX 8c)气压为86～106kPa。 A.5测试步骤 测试步骤如下： a)接通测量系统相关仪器的电源，按规定进行预热； b)把制备好端面的被测光纤接入测量光路，输入端对准光源，输出端接入光谱分析仪中，光纤的 长度为l1，单位为m； c)调整光路使得注入光信号达到最大值，固定被测光纤的输入端； d)用光谱分析仪测量经过被测光纤吸收后的输出光谱曲线F1，把该曲线保存在光谱分析仪中； e)在距离光纤输入端l0（一般为1m）处截断光纤并制备端面，再用光谱分析仪测量经过短段被 测光纤的输出光谱曲线F2； f)在光谱分析仪的dBm坐标系中得到曲线F3（F3=F2-F1），读出曲线上相应波长的光功率差T， 单位为dB。 A.6结果计算 吸收系数按公式（A.1）计算。 α ┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉(A.1) 式中： α——吸收系数，单位为分贝每米（dB/m）； T——光功率差，单位为分贝（dB）； l1——光纤长度，单位为米（m）； l0——光纤截断处距离输入端的长度，单位为米（m）。
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 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----=-++-???????? ????=+----???? O X 0 X
（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。 三、实验过程：
吸收系数的测定 一、实训目的 1、 了解填料吸收装置的基本流程及设备结构； 2、 掌握吸收系数的测定方法； 3、 了解空塔气速和喷淋密度对总吸收系数的影响； 4、 了解气体空塔流速与压强降的关系。 二、基本原理 根据传质速率方程： m Y A Y K N ?= 即； m Y A Y F K F N G ?== 所以； m Y Y F G K ?= 通过实验分别测定和计算（单位时间吸收的组分量）、（气液两相接触面积）、（平均传质推动力）的值，便可代入上式计算得吸收系数的值。 1、 单位时间吸收的组分量G （Kmol/h ） )(21Y Y V G -= 上式中：V(惰性气体流量)用空气转子流量计来测定；Y 1(进塔气体组成)可通过测定进塔时氨及空气流量来计算得到；Y 2(出塔气体组成)采用化学法进行尾气分析测定和计算得到。 2、 气液两相接触面积F(m 2) z D a aV F ?? ==24 π 上式中：V —填料的总体积(m 3 ) Z —填料层高度(m) D —吸收塔的内径(m) a —有效比表面积(m 2/m 3) η /t a a = 式中：a t —干填料的比表面积(m 2/m 3) η—填料的表面效率，可根据最小润湿分率查图表（参看教材） 最小润湿分率=规定的最小润湿率操作的润湿率 式中：填料的最小润湿分率=0.08m 3/m 2.h(规定的最少润湿率) 操作的润湿率=W/a t (m 3/m 2.h) 式中：W —喷淋密度，每小时每平方米塔截面上的喷淋的液体量。 （塔截面积）（水的体积流量）水Ω= V W 3、 平均传质推动力 m Y ? 本实验的吸收过程处于平衡线是直线的情况下，所以可用对数平均推动力法计算 m Y ?。
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 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
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 2002222002Re 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
摘要 本文对超声在固体中的传播特性进行了实验研究，引入显示声波在固体与液 体中传播过程的新方法，实现了非透明固体中声传播过程的实验观测。实验记录了声波在铝板和有机玻璃板中的传播过程，直观地呈现了声波在含有障碍物以及存在外加应力时的传播特征。在固体中传播的声波遇到障碍物时将会发生反射与透射，形成直达波与反射波叠加的声场。由测量的声场分布图可以比较有效地区分出直达波与反射波。对施加一维应力作用后声波在铝板中的传播特征进行了实验观测，发现波阵面有一定的变形，沿应力方向波阵面发生畸变，曲率变小（传播速度随着应力的增大而增大所引起）。由液-固边界波形图和声场分布图出发, 利用几何计算方法可以对声波在固体中的传播速度进行计算。利用STC 方法对液-固边界波形进行处理，可得到相对精确的声速值。 井间地震技术这种勘探方法记录的数据中常常含有很强的管波，这些管波叠 加在反射信号上，严重影响了有效信号的提取，因此，本文对井间地震管波的传播机制进行了实验研究，为能在纪录数据之前削弱管波提供理论依据。 目录 第一章绪论 (1) 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) 2.1 无限大固体中声波传播的基本方程 (4) 2.2 面波深度的计算 (5) 2.3 换能器背衬的原理及设计 (10) 第三章超声在固体和液体中传播过程的显示方法 (18) 3.1 常用的声波显示方法概述 (18) 3.2 声波在固体和液体中传播过程的显示方法 (18) 3.3 不同声波模型的实验观测 (21) 第四章固体和液体中的声场及其分析 (25) 4.1 横波速度测量 (25) 4.2 声波通过圆柱孔时散射声场的实验研究 (29) 4.3 应力作用下声场的实验观测 (34) 第五章井间地震管波的实验观测 (38) 5.1 引言 (38) 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) 5.5 小结 (48) 第六章结论 (49) 参考文献 (51) 发表论文和参加科研情况说明 (55)
物质衰减系数实验报告 摘 要：通过本实验验证γ射线通过物质时其强度减弱遵循指数规律，测量γ射线在不同物质中的吸收系数。其方法是通过最小二乘法拟合直线，其斜率就是衰减系数。本实验中将测出γ射线能量为0.662Mev 时钢的衰减系数， 关键字：衰减系数；γ射线；CT ；最小二乘法； 引言 物质的衰减系数测量在科研和生产过程中有着重要的作用。人们通过衰减系数的测量判别待测物体内部的相关信息，如物质的密度，物质内部的疏密空间结构，由此也可判断物质的组成成分。此项技术应用非常重要，也非常广泛。 实验方案： 1 实验原理: 钢的γ射线衰减系数测量 根据γ射线通过物质时的衰减规律（朗伯-比尔定律）： 0d I I e μ-= （1） 对上式取对数： 01 l n ()I d I μ= 如果通过实验测得γ射线穿过不同厚度的计数值，通过最小二乘法可以求得钢的衰减系数。 γ射线与物质相互作用，可以有许多种方式。当γ射线的能量不太高时，在所有相互作用方式中，最主要的三种方式包括光电效应、康普顿效应和电子对效应。因此，在γ射线的能量不太高时，衰减截面是光电效应截面、康普顿效应截 面和电子对效应截面之和。即：ph k p γσσσσ=++。式中ph σ、k σ、p σ分别对应于以上三种效应截面。 γ射线与物质相互作用的衰减系数为： N γμσ=? 由于/A N A N ρ=?，式中A 为原子质量数，A N 为阿伏伽德罗常数， 即： A A N γ σμρ= ?? 令m A A N γ σμ= ?，m μ称为质量衰减系数，则γ射线穿过物质的距离d 时强度
衰减为： 0m d I I e μρ-= （2） 从（2）式可以看出，γ射线的衰减系数与物质的密度有关，物质的密度越大，射线衰减越快。 1.1 衰减系数 光子γ (γ射线)通过物体时会与一些带电体发生相互作用，产生完全吸收、弹性散射、非弹性散射三种效应中的一种。分别表现为 光电效应 康普顿效应 电子对效应 其能产生不同的全能图谱，宏观上表现为γ射线的吸收。其吸收规律为 x Nx e I e I I r μσ--==00 其中，0I 、I 分别是穿过物质前、后的γ射线强度，x 是γ射线穿过的物质的厚度（单位cm ），r σ是光电、康普顿、电子对三种效应截面之和，N 是吸收物质单位体积中的原子数，μ是物质的线性吸收系数（r N μσ=，单位为cm ）。显然μ的大小反映了物质吸收γ射线能力的大小，我们成为衰减系数。 上个学期我们曾经运动这样一个式子 21 21ln ln m N N R R μρ-- =- 初步研究过衰减系数。本次实验我们将运用式子 A A N γ σμρ = ?? 或 0m d I I e μρ-= 进一步研究衰减系数和物质密度的关系。
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。
物质的衰减系数测量报告 物质的衰减系数测量实验报告 摘要：物质的衰减系数测量是一个常见的物理实验，在科研和生产过程中有着重要的作用。 本实验将通过应用CD-50BGA+型CT 教学实验仪，测量γ射线能量为0.662MeV 时钢的衰减系数运用最小二乘法计算出γ射线的衰减系数。并了解影响物质射线衰减系数大小的影响因素。 关键字：衰减系数；γ射线；CT ；最小二乘法； 引言： 物质的衰减系数测量在科研和生产过程中有着重要的作用。人们通过衰减系数的测量判 别待测物体内部的相关信息，如物质的密度，物质内部的疏密空间结构，由此也可判断物质的组成成分。此项技术应用非常重要，也非常广泛。 上学期我们已经初步接触核物理的相关内容，通过CT 教学仪和RES-02型相对论效应谱仪做过初步的小型的核试验，对物质吸收系数也有过认识。这个实验将在上个学期的基础应用CD-50BGA+型CT 教学实验仪，对γ射线的衰减系数做着重的研究，并形成实验结论，以加深对核物理基本概念的认识和理解，也进一步的熟练实验操作。 实验理论： 衰减系数 光子γ (γ射线) 通过物体时会与一些带电体发生相互作用，产生完全吸收、弹性散射、非弹性散射三种效应中的一种。分别表现为 光电效应康普顿效应电子对效应其能产生不同的全能图谱，宏观上表现为γ射线的吸收。其吸收规律为 I 0 I =I 0e -σr Nx =I 0e -μx
其中，cm ）， 、I 分别是穿过物质前、后的γ射线强度，x 是γ射线穿过的物质的厚度（单位是光电、康普顿、电子对三种效应截面之和，N 是吸收物质单位体积中的原子数， σ r μ是物质的线性吸收系数（μ=σr N ，单位为cm ）。显然μ的大小反映了物质吸收γ射线 能力的大小，我们成为衰减系数。上个学期我们曾经运动这样一个式子 μm ρ ln N 2-ln N 1 R 2-R 1 -= （2） 初步研究过衰减系数。本次实验我们将运用式子 σγ A ?N A μ=?ρ 或 I =I 0e -μm ρd （3） 进一步研究衰减系数和物质密度的关系。 1.2 最小二乘法
第一章 超声波探伤的物理基础 第八节 超声波的衰减 超声波在介质中传播时，随着传播距离的增加，其声能量逐渐减弱的现象叫做超声波的衰减。在均匀介质中，超声波的衰减与传播距离之间有一定的比例关系，而不均匀介质散射引来的衰减情况就比较复杂。 一、产生衰减的原因 凡影响介质质点振动的因素均能引起衰减。从理论上讲，产生衰减的原因主要有以下三个方面： 1. 由声束扩散引起的衰减 超声波传播时，随着传播距离的增大，非平面波声束不断扩散，声束截面增大，因此，单位面积上的声能(或声压)大为下降，这种扩散衰减与传播波形和传播距离有关，而与传播介质无关。 对于球面波，声强与传播距离的平方成反比，即2 X 1 I α ，声压与传播距离成反比，即X 1P α 。 对于柱面波，声强与传播距离成反比，声压与传播距离的平方根成反比，即X 1P α。 对于平面波，声强，声压不随传播距离的变化而变化，不存在扩散衰减。 当波形确定后，扩散衰减只与超声波传播距离(声程)有关。扩散衰减是造成不同声程上 相同形状和尺寸反射体回波高度不等的原因之一，这在声压方程中已经解决。 2. 由散射引起的衰减 超声波传播过程中遇到不同声阻抗的介质所组成的界面时，会产生散乱反射，声能分散，造成散射衰减。固体中尤以多晶体金属的非均匀性(如杂质、粗晶、内应力、第二相等)引起的散射衰减最为明显。多晶体晶界会引起超声波的反射和折射，甚至伴有波型转换，这种散射也可称作瑞利散射。散射衰减随超声波频率的增高而增大，且横波引起的衰减大于纵波。 3. 由吸收引起的衰减 质点离开自己的平衡位置产生振动时，必须克服介质质点间的粘滞力(和内摩擦力)而做功，从而造成声能损耗，这部分损耗的声能也将转换成热能。在超声波传播过程中，这种由于介质的粘滞吸收而将声能转换成热能，从而使声能减少的现象称为粘滞吸收衰减。在超声波探伤中它并不占主要地位。 二、衰减规律和衰减系数 超声波在不同介质中的衰减情况常用衰减系数加以定量表示。超声波传播过程中的衰减规律与其波形有关。平面波传播时不存在扩散衰减，它的衰减只是散射衰减与吸收衰减之和。平面波在介质中传播X 距离后的声压衰减规律可用下式表示： P=P 0e －αX (1–64) 式中：P 为距声X 声距离处的声压；X 为距声源泉的距离；P 0为声源的辐射声压；α为衰减 系数；e 为自然对数底。 超声波探伤中探头辐射的一般是活塞波，但在足够远处声压将随传播距离增加而减弱，若距声源X 处声压为P ，则活塞波在介质中传播X 距离后声压幅值变化规律可用下式表示：
近代物理实验报告物质衰减系数测量 班级 学号 姓名 时间 2011年4月13日
【摘要】 本实验利用CD5O-BGA+型CT 教学实验仪对钢质台阶形测试试件扫描，获得 的γ射线穿透物质前后的强度数据，用最小二乘法对数据进行处理，并拟合出射线穿透前后强度之比的对数与射线穿透距离图线。根据射线穿透物质时的衰减规律，由图线斜率确定这种钢的衰减系数。 结合上学期我们所做过的CT 和γ射线的吸收实验，本实验的研究有助于我 们复习有关方面的知识，并做更深入一步的实验研究。 【关键词】 衰减系数，γ射线，CT ，阶梯状钢 【引言】 γ射线首先由法国科学家P.V.维拉德发现，是继α、β射线后发现的第三 种原子核射线。原子核衰变和核反应均可产生γ射线。通过对γ射线谱的研究可了解核的能级结构。γ射线有很强的穿透力，工业中可用来探伤或流水线的自动控制。γ射线对细胞有杀伤力，医疗上用来治疗肿瘤。 γ射线是处于激发态原子核损失能量的最显著方式，γ跃迁可定义为一个核 由激发态到较低的激发态、而原子序数Z 和质数A 均保持不变的退激发过程。γ射线是光子，光子会与被束缚在原子中的电子、自由电子、库伦场、核子等带电体发生相互作用。不同能量的γ射线与物质的相互作用效果不同，为了有效地屏蔽γ辐射，需要根据物质对γ射线的吸收规律来选择合适的材料及厚度，反之，利用物质对γ射线的吸收规律可以进行探伤及测厚等。因此研究不同物质对γ射线的吸收规律的现实意义非常巨大，如在核技术的应用与辐射防护设计和材料科学等许多领域都有应用。 【正文】 一、 实验原理 γ射线是原子核能级跃迁蜕变时释放出的射线，具有极强的穿透本领。当γ 射线穿过物质时，会与物质发生作用，其强度会减弱。不同物质对γ射线的削弱程度不同。本次实验将具体测量钢的衰减系数。 朗伯-比尔定律可知 0d I I e μ-?=? （1） 对该式取对数可得 0ln I d I μ??=? ??? （2） 从上式可以看出，物质的厚度d 与0ln I I ?? ???成线性关系，其系数就是物质衰减 系数。