学院：机械与电子控制工程学院   

 班级：机电1301

时间：17:40~21：00

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：

信号发生器.电压陶瓷换能器.数显游标卡尺.示波器

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 ?? 

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U0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。测量结果更加可靠。

2、实验步骤 

实验一 

1、按照空气中衰减实验装置示意图正确连接线路； 

2、调节信号发生器输出正弦信号的频率，达到与换能器谐振；

 3、在共振条件下，调节发射头和接收头的距离，当示波器上出现振幅最大时，记下峰值处的位置坐标ix和峰值电压iU，记入实验表格；

 4、多次重复步骤3，得到若干组数据。

 5、改变正弦信号的频率，重复上述步骤； 

7、对实验所得数据进行处理，拟合曲线，分析数据。 

衰减系数为0.0234

 实验二 实验步骤 

1、             按照水中衰减实验装置示意图正确连接线路；

2、             重复上述实验的步骤，得到若干组数据。

3、             对实验所得数据进行处理，拟合曲线，分析数据。 

4、             五、实验注意事项 

在水中的衰减系数为0.0096

五、实验注意事项 

1、实验前，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、实验时用一个换能器作为发射头，另一个为接收头，两换能器的面保持互相平行。 

4、在实验中要及时记录实验数据，实验数据较多，要记全。

 5、每次实验完成后，要整理好实验仪器方可离开实验室。

 

第二篇：测量超声波在空气中的损耗系数

测量超声波在空气中的损耗系数

摘要：本文在原有的超声波实验基础之上，增加了测量超声波的损耗系数；研究了超声波频率与损耗系数之间的关系，丰富了大学物理实验教学内容，拓展了学生视野。 关键词：超声波；损耗系数；最小二乘法

1. 引言

超声波在日常生活中应用极为广泛，比如超声波测距，无损检测等。而在大学物理 实验中，声学实验题目较少，一般大学物理实验声学部分只开设了超声波在空气中的传播速度测定，而这个原理比较简单，操作相对容易一些，导致实验内容在固定的课

[1]时内不饱满；鉴于以上原因，在使用仪器不变的情况下，分别增加了测量超声波的损

耗系数，以及测量超声波频率与损耗系数之间关系的实验内容，丰富了大学物理实验内容，拓展学生视野。

2.实验原理

超声波发射器当它被超声信号源的电信号激励后由于逆压电效应发生受迫振动，振动频率与电信号激励频率相同，并向周围空气定向发出一近似平面波。超声接收转能器，它受迫振动后产生压电效应输出电信号，电信号的频率与超声波的振动频率相同。当发射换能器和接收换能器两个端面互相平行时，超声波和回波在两个端面之间产生干涉，形成驻波。超声波和回波干涉以后合成以后，其合成波振幅为： [2]

Ai?A0e2?xi?R2e2?(xi?2x0)?2Re2?x0cos2k(xi?x0)?1

2 （1）

其中ɑ超声波在空气介质中的损耗系数，R为接收换能器的反射系数，xi为超声波传播的距离，x0为回波的反射点，Ai为反射点回波振幅，A0为超声波发射波振幅，k为波矢；由于接受信号在接收换能器端面处，回波反射点始终满足x0＝xi；所以（1）就可以写为：

Ai?A0(1?R)e?xi （2）

只要记录一组振幅与传播距离之间的关系就课测量损耗系数和反射系数；采用降阶的方法，对（2）两边取对数就可以得到：

lnA?ln(1?R)??xi （3） A0

可以通过标准的直线方程斜率和截距求得损耗系数。

3.测量损耗系数

在实验过程中，观测振幅使用的是示波器，振幅的幅度大小可以用幅度电压来表示。（3）式就可以写为：

ln

Ui

?ln(1?R)??xi （4） U0

根据（4）式，首先将发射器信号输入示波器测量幅度电压测量U0，测得U0＝3.3V；采用超声波频率为f1＝37196Hz；测到一组幅度电压Ui和传播距离xi的数据如表1所示；根据最小二乘法就可以得到损耗系数和反射系数。

单位：长度（mm） 电压（v）

次数

1 0.07 2.9 -0.129 -0.0009 0.0049

2 4.92 2.5 -0.278 -1.368 24.20

3 9.66 2.3 -0.361 -3.487 93.32

4 14.40 2.05 -0.476 -6.854 207.36

5 19.12 1.9 -0.552 -10.554 365.58

6 23.90 1.7 -0.663 -15.846 571.21

7 28.68 1.6 -0.724 -20.764 822.54

xi Ui

lnUi0

xilnU

i

2

（xi）

根据最小二乘法就可以得到损耗系数为：

?1?

?x??lnU

i

i?1

i?1

n

nn

i

0?n?xilnUi0

i?1

2

n

n

??2??xi??n?xi

i?1?i?1?

??0.02060（5）

图1 LnUi/U0和传播距离xi的之间的关系

4.测量损耗系数与超声波频率之间关系

在上述实验过程中，固定了超声波的频率，得到其损耗系数的关系，也可以通过

这个实验研究超声波的频率和损耗系数之间的关系。选择不同超声波频率，将发射器信号输入示波器测量幅度电压U0，测得U0＝3.3V；改变超声波频率为f2＝37296Hz；测

到一组幅度电压Ui和传播距离xi的数据。调整发射器输出强度，测得信号输入示波器的幅度电压U0＝5.8V，取超声波的频率分别为f3＝36941Hz、f4＝37100Hz、f5＝37208Hz 测量多组幅度电压Ui和传播距离xi，根据（4）式，就可以得到LnUi/U0和传播距离xi的之间的关系曲线，如图1所示：用最小二乘法处理数据就得到其损耗系数分别为：ɑ2=-0.01905、ɑ3=-0.01997、ɑ4=-0.01905、ɑ5=-0.01998。

根据（2）式，可以得到幅度电压Ui和传播距离xi的关系曲线如图2所示：

图2 Ui和传播距离xi的之间的关系

5.结论

通过这个实验，可以看出当频率变化不大时，不会影响超声波在空气中的损耗，也得到超声波传播距离和损耗之间的关系，反之就可以根据损耗的大小标定距离，在不同的介质中，就可以实现超声测距和超声波无损探伤等应用。而且通过这个实验也丰富大学物理声学实验，开拓了学生的视野，实验过程中培养了学生勤于思索、勇于实践的科学精神，提高了学生分析问题解决问题的能力。

参考文献

[1]. 房晓勇.声学实验及部分声学量的测量 物理实验 [J] 第22卷.第1期2001 8-10；

[2]. 牛原 赵中龄 腾永平 成正维.超声波专题实验的设计与教学 大学物理实验 [J] 第20卷.第3期2007 43-46；

The measurement of the ultrasonic Loss coefficient in the air

FENG Jun-qin

(The Department of the experiment, Guangdong University of Technology, Guangzhou,

guangdong510006, P.R.China)

Abstract: In this paper, increase the measurement of the loss coefficient base on the original ultrasonic experiment; research the relationship between the frequency and the loss coefficient; enriched the college physics experiment and expand the horizons of students.

Key words: ultrasonic; loss coefficient; least square method