超声波衰减系数的测量

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 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。

超声波检测主要公式1. 物理基础部分:.;11.1所需时间质点完成一次完全振动周期次数单位时间内质点振动的频率：T ：f Tf --=的距离波在单位时间内所传播波速的路程波在一个周期内所传播波长,;,2.1--=c fcλλ设B 为波线上任意一点,距原点O 的距离为x.因为振动从O 点传播到B 点所需的时间为x/c,所以B 点处质点在时间t 的位移等于O 点上质点在时间(t-x/c)的位移,即:λπωππωωωω2.22.1,)cos()/(cos 3.1==-==--=-=ck k Tf kx t A c x t A y 波数秒钟内变化的弧度数即圆频率cZ Z p I Zp I m ρ=---=数值上学性质其能直接表示介质的声声阻抗压力相邻质点所受到的附加弹性质点在传播声时声压内通过的平均声能单位面积上在单位时间在垂直声波传播方向上声强...,..,.24.12....lg 20lg205.12212212121为基准反射回波幅度分母中的度两个比较的反射回波幅和为基准声压分母中的两个比较声压和H H H p p p H Hp p dB --==∆εεσεεσσρρρ/,//,./,.//:.//,6.111=∆=∆=--=-∆=∆-⋅=即之比与纵向相对伸长等于介质横向相对缩短介质的泊松比有关的常数与介质的泊松比即之比与其体积等于介质的质量介质的密度即之比与相对伸长等于介质承受的拉应力介质的杨氏弹性模量声速L L d d k VM V M LL S F E L L S F E kEc横波折射角射角分别是第二介质纵波折横波速度第二介质纵波速度横波速度度分别是第一介质纵波速横波反射角纵波反射角入射角分别是第一介质的纵波反射折射定律,,,,,,,,.,,,,sin sin sin sin sin 8.12211,2211,1---====t l t l t l t l l t tl l t t l l l l c c c c c c c c c ββαααββαααtr t l c c c c 92.0;82.1/7.1≈≈在钢中oIII l t III o o II o II t l II o oI o I l l I o c c。

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。

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。

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2X 1I α，声压与传播距离成反比，即X1P 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。

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。

超声波检测主要公式Document serial number【NL89WT-NY98YT-NC8CB-NNUUT-NUT108】超声波检测主要公式1.物理基础部分:设B为波线上任意一点,距原点O的距离为x.因为振动从O点传播到B点所需的时间为x/c,所以B点处质点在时间t的位移等于O点上质点在时间(t-x/c)的位移,即:1.13衰减系数的测定和计算(1)试件厚度:2N<T≤200㎜(2)试件厚度>200㎜(3)薄试件(试件中多次底波的声程在未扩散区内)1.14声压公式(1)活塞波声压公式(2)球面波声压公式(3)近场区公式(a)第二介质剩余近场区长度N’(b)横波在第二介质中的近场区长度N’(c)非扩散区长度b≈1.64N(4)指向角公式(5)大平底面回波公式(6)平底孔回波公式(7)长横孔回波公式(8)短横孔回波公式(9) 球孔回波公式(10) 圆柱曲底面回波公式(11) 不同距离处的大平底与平底孔回波声压dB 差:(12) 考虑衰减系数时,不同距离处的大平底与平底孔回波声压dB 差(即与探伤仪实测情况对应):(13) 考虑衰减系数时,不同距离不同孔径两平底孔回波声压dB 差(即与探伤仪实测情况对应):2. 缺陷位置2.1平面检测2.1.1声程定位(a)缺陷水平距离(c) 缺陷深度2.1.2水平定位(a)缺陷水平距离(b)缺陷深度k n d ff τ=(当缺陷分别是二次波、三次波或四次波发现时,按2.1.1方法计算缺陷深度)2.1.3深度定位(a)缺陷水平距离(b)缺陷深度f f n d τ=(当缺陷分别是二次波、三次波或四次波发现时,按2.1.1方法计算缺陷深度)2.2曲面检测2.2.1圆柱曲面外圆检测(a)缺陷深度R-试件外半径;k-探头k值;d-平板试件中的缺陷深度(b)缺陷水平弧长2.2.2圆柱曲面内孔检测(a)缺陷深度r-试件内半径.(b)缺陷水平弧长2.2.3横波外圆周向探测圆柱形筒体试件时的最大探测厚度T m3.迟到波、三角形回波和61°波3.1纵波迟到波在钢中迟到距离3.2圆柱体试件径向检测时的三角形回波3.2.1纵波-纵波-纵波的三角形回波声程3.2.2纵波-横波-纵波的三角形回波声程3.361°反射波(在IIW试块上的声程)3.445°反射波(在IIW试块上的声程)4钢板水浸检测水层厚度公式5小径管水浸检测5.1偏心距x5.2焦距F5.3声透镜的曲率半径6复合层检测6.1复合良好时,底面回波与复合界面回波的dB差(底面与空气接触,超声波在底面全反射)6.2复合良好时,底面回波与复合界面回波的dB差(超声在底面不是全反射,底面反射率为r’)。

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。