实验-超声波在空气与水中的衰减系数的测量

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1、实验-超声波在空气与水中的衰减系数的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。电磁波是由丁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310km/so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。机械波只能在介质屮传播不能在真空屮传播。速度一般从每

2、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OXOX在图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0,入射超声波波束沿坐标系x轴方向传播，其波动方程为：yA=AOexp??i??t??x???(1)反射波的波动方程为：y反=[^(^卩1??1????2????(2)其屮，R为反射系数，？?k?i?为波的传播系数，？是介质的衰减系数，k?2??是波矢。入射波和反射波在0〜xO区间叠

3、加，其合成波的波动力*程为：y?A0exp??i??t??x????RA0expi???t???x?2x0???????x?2x0???x??i?A0e??xsinkx?RA0e??x?2x0?sink?x?2x0???ei?t?Aecoskx?RAecoskx?2x??000??????(3)合成波各点均作简谐振动，其振幅分布为：A?A0?e??2?x?Re22??x?xO??2Re?2?xO(4)cos2k?x?x0???如果利用超声波接收器作反射血，则超声波接收器收到的合成波振幅为：A?AO?l?R?e??x(5)因为超声

4、波发生器和接收器是由同一材料制成，所以有：AU(6)?AOUO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。设超声波接收器在任意波峰位置处xi时，示波器显示电压数值为Ui,则ln?O??ln?l?R???x(7)令y?ln?O??ln?UiO?(8)b?ln?l?R?(9)则(7)式可以写成：y?b??x(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:图2.空气中衰减实验装置示意图图3.水屮衰减实验装置图(1)超声波在损耗介质中的准驻波效应A?AO?l?R?e??x其屮，R为反射系数，？是介

5、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：AU?AOUO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)分别测量多个峰值处的位置坐标xi和峰值电压Ui,记入实验表格。(3)拟合曲线，分析数据。四、实验记录：数据频率f=37120Hz，室温T=27±1°C条件下，测量示波器上声压波形极大时的峰值电压和接收换能器的相应位置列于表一，表二。表一：测量超声波在空气中衰减系数的实验数据表二：测量超声波在水中的衰减系数的实验数据五、数据分析：(1)根据实验记录的数据，可以拟合出如下曲线，得到实验所测的衰

6、减系数。图3.超声波在空气屮的衰减率拟合曲线图4.超声波在水中的衰减率拟合曲线(2)剔除一些误差较大的数据，再次拟合曲线，所得结果如下。表三：数据调整（空气）表四：数据调整（水）图5.超声波在空气中衰减系数（数据调整后）图6.超声波在水中衰减系数（数据调整后）六、结果分析：如果用实验所测得全部数据拟合曲线，则得到的超声波在空气中的衰减系数?=0.01dB/mm，与文献所述的结果相比偏小，而在水中所测得的衰减系数?=17.04dB/m，与文献所述结果相比则偏大；剔除掉空气中所测的后半部分数据，和水中所测的前半部分数据后，所得结果与

7、文献所述的衰减系数比较吻合,?空气?0.02dB/mm,?水?1.44dB/m。实验误差与测量的温度和频率等因素有关，仍需继续实验以求证。七、设计性实验开设的设想，第一次课：学习如何测量声波衰减的方法，练习示波器使用方法，比如自动手动测试电压等。试做一种介质（水或空气，分别开设8套），得到声波衰减数据。要求记录实验温度，通过改变频率，在两个不冋频率下测试，分析频率对声波衰减的影响。利用7414实验室四台电脑，用EXCEL随堂处理出数据，让老师检查。如果离正确值偏差太大，要重做以确认数据的正确。第二次课：换另外一种介质进行衰减的测

8、试。老师检查数据。第三次课：换波形比如方波或者脉沖波测量两种介质屮的超声衰减率。针对上两次课的数据问题，看是否需要重做实验。另外实验误差与测景的温度和频率等因素有关，分析声波衰减测景偏差的原因。参考文献：1.任隆良等，驻波法测量声速实验屮的非完全驻波，大学物理实