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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。
第18卷第1期大 学 物 理 实 验 Vol.18No.12005年3月出版PHY SICA L EXPERI MENT OF CO LLEGE Mar.2005收稿日期:2004-10-14文章编号:1007-2934(2005)01-0025-03声速测定中声强的综合衰减系数的测定张 庆 李卓凡 王小怀(韩山师范学院,潮州,521041)摘 要 本文对声速测定实验中声强的衰减进行分析,介绍测量声强综合衰减系数的实验方法并给出实验结果。
关键词 声速测定;超声换能器;声强;综合衰减系数中图分类号:042211 文献标识码:A1 问题的提出利用超声换能器测声音在空气中的传播速度的方法是:位于同一水平高度两个频率相同,相向而立的压电陶瓷换能器,其中一个在交流信号激励下发出平面超声波沿水平方向传至另一换能器表面反射,入射波和多次反射声波的迭加的结果使接收换能器输出一简谐交流信号,这一信号的幅值随接收换能器相对声源的位置改变而变化,当接收换能器测得两相邻的极大值时,接收换能器所处位置的距离正好是该声波的半波长,利用激励信号的频率和波长,即可算出当前环境下的声速。
如图1所示。
图1 声速测定示意图在测量过程中,接收换能器接收到的信号的振幅随接收换能器远离发射换能器而逐渐变小。
也就是说,声音随传播的距离变大声强变小了,在具体的实验中这个变化的规律如何是本文要探讨的问题。
2 声速测定中声强的综合衰减系数声音在传播过程中会衰减,声波反射也会衰减;加上换能器发出的声波也不可能是一个平面波,两换能器的不共轴以及固有频率很难完全一致等,这些都是造成声强衰减的因素。
由于影响声强衰减的因素众多,也很难对某一因素对其衰减做一一的测定,因此只能对所使用的系统声强的衰减做一综合的分析。
因此定义为测量系统的声强综合衰减系数。
—52—3 系统的声强综合衰减系数的测定如图1所示,把声速测定实验中观察接收换能器输出波形的示波器上并接一数字交流毫伏计,通过观察波形极大和极小时读取接收换能器输出的电压值及其相应的位置如表1所示。
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。
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：???= ????????式中？表示入射初始声强，荻深入媒质？距离处的声强，？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？？单位是帕斯卡。
在自由声场中，声波传播方向上某点声强？与声压??媒介特性阻抗Z存在如下关系：????= 2??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？?寸，在极化方向上产生一定的电场强度??它们之间有一简单的线性关系？?= ?????反之，当在压电材料的极化方向上加电场？时，材料的伸缩形变？与电场？也有线性关系？?= ?????比例系数?? ?称为压电常数，它与材料性质有关由于？1和?? ?和？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。
声波在空气中的衰减系数《探索声波在空气中的衰减系数》嗨，小伙伴们！今天咱们要一起去探索一个超级有趣的东西——声波在空气中的衰减系数。
你们可能会想，这是什么呀？听起来好复杂呢！其实呀，就像我们在操场上玩球，球在滚动的过程中会慢慢停下来一样，声波在空气中传播的时候，也会慢慢变弱，而这个让它变弱的程度就和衰减系数有关啦。
我有一次和我的好朋友小明一起做了个超级有趣的小实验，来感受声波的神奇呢。
我们找了一个小铃铛，这个小铃铛可漂亮啦，就像一个银色的小精灵。
当我们轻轻摇晃这个小铃铛的时候，它就会发出清脆的声音，“铃铃铃”的，那声音就像山间的小溪在流淌，清脆又好听。
我们站在离铃铛大概一米远的地方，能很清楚地听到铃铛的声音。
可是呀，当我们慢慢往后退，退到大概五米远的时候，就发现铃铛的声音变小了，也没有那么清脆了，就好像小铃铛的嗓子有点哑了一样。
这就是声波在传播过程中变弱了呢。
那这个声波在空气中的衰减系数到底是怎么回事呢？我就去问我的科学老师啦。
老师可厉害了，就像一本行走的百科全书。
老师说呀，声波在空气中传播的时候，会和空气里的好多东西“打交道”。
比如说空气里的小颗粒啦，就像一群调皮的小捣蛋鬼，它们会阻挡声波的前进，让声波的能量一点点地减少。
还有呀，空气分子自己也不是老老实实地待着的，它们就像一群在舞池里跳舞的小人，声波来了，它们就会把声波的能量给分散掉一些。
我又想啦，那这个衰减系数是不是一直都不变的呢？我和班上的学霸小红就这个问题讨论了起来。
小红说她觉得不是呢。
她举了个例子，就像我们在不同的天气出去玩一样。
如果是大晴天，空气里的水分比较少，那声波传播可能就比较顺畅，衰减系数就可能小一点。
可是要是下雾天呢，到处都是雾蒙蒙的，那些小水滴就像给空气穿上了一层厚厚的棉衣，声波在这层“棉衣”里钻来钻去的，肯定会消耗更多的能量，衰减系数就会变大啦。
我听了觉得好有道理呀，就像突然打开了一扇新的大门。
有一次，我在家里看电视，电视里在讲音乐会呢。
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OX 0X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）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。
