超声波衰减特性的研究实验方案

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。

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。

磁致伸缩位移传感器波导丝扭转超声波衰减特性研究谢新良;王博文;周露露;翁玲;孙英【摘要】A new model is developed to predict the attenuation characteristics of torsional ultrasonic in the waveguide.Because the uniformity of waveguide is affected by machining process.The influence of internal variation of material on the detection signal is greater than that of the attenuation of ultrasonic propagation in the short distance.There is a new detection pared with the existing models,the effect of material inhomogeneity can be filtered.The permanent magnet is fixed in the middle of waveguide.Removing damping at both ends.Both ends of the ultrasonic can be reflected.The ultrasonic attenuation coefficients can be measured by detecting the amplitude of the two echoes.The attenuation coefficients of Fe-Ga and Fe-Ni waveguides of 0.5 mm wire diameter are 1.34 dB/m and 1.57 dB/m under 65 kHz torsional ultrasound.Furthermore,the effects of the waveguide wirediameter,torsional ultrasonic frequency and stress on the attenuation coefficient have been analyzed.The attenuation coefficient increases with increasing the diameter wire of waveguide.It has obviously positive correlation with torsional ultrasonic frequency.Moreover,it decreases firstly and then tended to be stable with increment of stress.Research results provide a theoretical guidance for the optimal design of large range magnetostrictive displacement sensor (MDS).%为研制大位移磁致伸缩位移传感器,对扭转超声波在波导丝中的衰减特性进行研究.由于波导丝材料的均一性受拉伸等加工环节的影响,材料的内部变化对检测信号的影响大于超声波在短距离传播的衰减变化.提出的检测方案将永磁体固定在波导丝正中间,去掉两端的阻尼,使得向两端传播的超声波受到同样的反射,通过检测两个回波的幅值来测量超声波衰减系数,可以滤除材料不均匀性产生的影响.搭建了磁致伸缩位移传感器实验平台,基于所提实验方法,测得频率为65 kHz的扭转超声波在线径为0.5 mm且不受拉力作用下的Fe-Ga和Fe-Ni波导丝的衰减系数分别为1.34 dB/m和1.57 dB/m.实验还对比了不同线径Fe-Ga波导丝、不同扭转超声波频率和波导丝在不同拉力作用下的衰减系数变化,结果表明:衰减系数随波导丝线径的增大而增大;衰减系数与扭转超声波的频率呈正相关;衰减系数随波导丝两端拉力的增大先减小后趋于稳定.【期刊名称】《电工技术学报》【年(卷),期】2018(033)003【总页数】8页(P689-696)【关键词】磁致伸缩;位移传感器;波导丝;超声波;衰减系数【作者】谢新良;王博文;周露露;翁玲;孙英【作者单位】河北工业大学电磁场与电器可靠性省部共建重点实验室天津300130;河北工业大学电磁场与电器可靠性省部共建重点实验室天津 300130;河北工业大学电磁场与电器可靠性省部共建重点实验室天津 300130;河北工业大学电磁场与电器可靠性省部共建重点实验室天津 300130;河北工业大学电磁场与电器可靠性省部共建重点实验室天津 300130【正文语种】中文【中图分类】TP212基于磁效应的测量仪表和精密仪器在工业生产中具有良好的应用前景[1-3]。

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反射面反射波（1）超声波在损耗介质中的准驻波效应其中，R为反射系数， 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：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。

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。

声速测量实验中声波衰减现象的研究声波是依赖多个变量产生，包括在空气中传播的高频声波，它们会在传播过程中经历衰减，从而影响声速的测量精度。

近年来，随着声波技术的发展，声速测量也得到了广泛的应用，但由于声波实际上不能直接测量，在实验方面仍有许多研究未解决之处。

本文对声速测量实验中声波衰减的研究进行了分析，以期为改善计算精度提供参考。

一、声波衰减的物理原因声波在空气中传播时，会受到消散作用的影响，而消散作用又是多种因素造成的。

比如，声波在空气中传播时，会受到空气温湿度、对流和粒子扩散等因素的影响，对声波的衰减程度也有影响。

此外，声波也会受到地形的影响，地形的复杂性也会影响声波的衰减速率。

二、声速测量实验中测量声波衰减的方法声速测量实验中测量声波衰减的方法主要有三种，分别是激励法、二阶法和统计法。

1、激励法：激励法是最常用的测量声波衰减的方法，它使用一个强度持续不变的声源，激发出声波，然后测量随着距离的增加声波衰减的程度。

2、二阶法：二阶法是使用一个集中在一个点的声波来测量声波衰减现象的一种方法，它可以更准确地测量声波衰减特性。

3、统计法：统计法是测量声波衰减的一种更先进的方法，它可以通过分析多次实验结果来测量声波的衰减行为，并且可以准确测量声波的衰减特性。

三、声波衰减的影响因素声波衰减的影响因素非常多，包括：空气温湿度及其变化、空气的气流及其变化、空间结构、流体类型、地形高程、衍射特性等。

这些影响因素是不同的，它们会影响声波传播的路径，从而导致声波衰减。

四、结论声速测量是一项重要的技术，而声波衰减则是影响其精度的一个重要因素。

本文分析了声速测量实验中声波衰减的研究，总结了测量的方法以及其影响因素。

本文的成果可以为优化实验条件和提高测量精度提供参考。

超声波用于物质定量定性分析的创新实验设计引言随着科学技术的不断发展，超声波技术在物质分析领域中的应用日益广泛。

超声波具有穿透性强、非破坏性、高灵敏度等特点，能够对物质的成分和结构进行定量定性分析。

本文将介绍一种创新的实验设计，利用超声波技术进行物质的定量定性分析，从而为相关领域的研究与应用提供参考。

实验目的1. 掌握超声波技术在物质分析中的基本原理和方法；2. 建立一种可以快速、准确地进行物质定量定性分析的实验方案；3. 探讨超声波在物质分析中的应用前景。

实验原理超声波是指频率高于20kHz的声波，通常用于对固体、液体和气体进行非破坏性检测。

超声波在物质中的传播与物质的密度、声速等物理性质有关，因此可以通过超声波的传播特性来对物质进行定量定性分析。

实验步骤1. 样品准备：选择需要进行分析的样品，将样品处理成合适的尺寸和形状，保证超声波可以穿透并进行有效的检测。

2. 超声波装置：选择适当的超声波装置，包括超声波发生器、探头等设备，进行设备的校准和调试。

3. 实验测量：将样品放置在超声波装置下方，调节超声波的频率、振幅等参数，进行实验测量并记录实验数据。

4. 数据处理：根据实验测量得到的数据，进行数据处理和分析，得出样品的定量定性分析结果。

实验设计1. 定性分析：利用超声波的穿透性和反射性，对样品的密度、结构等物理特性进行定性分析。

通过观察超声波在样品中的传播和反射情况，可以初步判断样品的成分和结构特征。

2. 定量分析：利用超声波的传播速度和衰减特性，结合声学参数，可以对样品的密度、粘度等物理性质进行定量分析。

通过测量超声波在样品中的传播速度和衰减情况，可以计算出样品的物理参数，从而进行定量分析。

实验优势1. 非破坏性：超声波在物质中传播时，不会破坏样品的结构和性质，能够实现对样品的非破坏性检测。

2. 高灵敏度：超声波对物质的密度、结构等变化非常敏感，能够实现对微小变化的检测和分析。

3. 快速准确：超声波技术具有快速、准确的特点，可以实现对样品的快速分析和检测。