聲速測量中聲波衰減系數的測定研究實驗者：常恒同組者姓名：頂峰指導教師：魯曉東【摘要】在做聲速測量實驗中，捕捉極大P-Pv值時，隨著換能器的位移不難發現，聲波在發生衰減。文章根據聲速的測量實驗中示波器信號隨著接收換能器的移動而變化這一現象,就引起聲強衰減的原因及衰減的程度〔衰減系數〕進行研究測量實驗。【關鍵詞】換能器；聲波衰減；聲強衰減系數一、引言聲速測量利用的是駐波原理,在測量過程中,不難發現示波器中信號的極大值幅值會隨接收換能器移動距離增加而減小。這說明入射波與反射波相干預形成的不是嚴格的駐波,其聲波傳播時,有散射和其他損耗。本實驗研究了聲波衰減,測量了聲波衰減系數。二、設計原理2.1衰減原因分析：我們知道機械波必須依靠彈性介質進行傳播。波速依賴于彈性介質的性質，特別是與介質的物態有著密切的關系，譬如聲波在20℃空氣中傳播速度約為340m/s，而在在鋁中傳播的縱波速度約為5150m/s為們用體密度與該介質中波傳播的速度!之積的大小來衡量是波疏介質還是波密介質：將乘積較大的介質稱為波密介質，較小的介質稱為波疏介質。于是機械波在不同介質中傳播時，特別是在兩種不同介質相接觸的界面上，可能會產生相位的突變。具體地說，機械波在波疏介質向波密介質界面上反射時，反射波出現相位的突變，也就是反射波比入射波的相位附加了π，相當于附加了波程π/2，由于附加π/2的波程與減少π2.2衰減系數確實定：設衰減系數為，反射率為入射波：反射波：實驗中測得兩者的疊加：下列圖演示的是當距離為0.1時，這段空間內，聲壓的分布。但實驗只能測得N點的聲壓〔即幅度〕可以分析，在N點：極大值為，此時，極小值為，此時由聲強與聲壓的關系:〔1〕〔式中I表示聲強，Pmax為示波器測試出的有效聲壓，Z為空氣密度與空氣中音的乘積。其中聲壓是指相無聲時壓力的改變量；聲強是指單位時間通過單位面積的聲能量〕在聲波傳播時,聲強衰減如下式所示:〔2〕〔式中I表示入射初始聲強,Id為深入媒質d距離處的聲強。為衰減系數〕式〔2〕用聲強級表示那么有:〔3〕〔式中為d點的聲壓有效值。可說明聲壓平方與距離d成指數關系〕對其兩邊取對數那么有：〔4〕〔式中為衰減系數，可看出聲壓對數的兩倍與衰減系數成線性關系〕令測得k組的極大值聲壓數值，作如上處理。〔4〕式求得斜率即求得衰減系數。三、實驗儀器聲速測量綜合實驗儀,為FD2SV22型,示波器為GOS26021型,實驗裝置示于圖1。圖1實驗裝置四、實驗測量數據頻率f=36980±4Hz,室溫T=11±1℃次數峰值距離(mm)峰值電壓(v)谷值距離(mm)谷值電壓(v)13.9603.7204.0000.22027.9203.5208.3000.200312.6802.82013.5000.180417.3202.46018.2000.140521.8801.86022.8000.130626.5601.58027.7200.120731.3201.44032.5000.115835.7801.36037.2600.100940.4601.32041.7000.0901045.1801.10046.3600.0801149.6400.98051.3800.0801254.4000.80055.8400.070表1實驗數據由表1中數據可以繪出如下駐波聲壓波形圖Y聲壓X距離圖2聲壓波形圖取其中極大值為研究數據〔極小值所表現做出的衰減十分不明顯，故舍棄〕，處理后數據表：次數峰值距離(mm)峰值電壓(v)2lnU13.9603.7202.62713.83827.9203.5202.51712.390312.6802.8202.0737.952417.3202.4601.8006.052521.8801.8601.2413.460626.5601.5800.9152.496731.3201.4400.7292.074835.7801.3600.6151.850940.4601.3200.5551.7421045.1801.1000.1911.2101149.6400.980(0.040)0.9601254.4000.800(0.446)0.640表2處理后數據從圖中可知,隨著聲波傳播的距離增加,聲壓平方作指數衰減。其衰減規律符合公式(3)。再由表1中數據繪出2LnU-d圖,根本上反映出聲強級與距離的關系,如圖4所示。圖42LnU2d關系圖由圖4可以看出,2LnU-d根本上顯示線性關系,符合公式〔4〕。經Excel圖標計算,其相關系數=0.9737斜率即聲強的衰減系數=0.0593dB/mm。。四、實驗結果分析通過對以上實驗數據的分析計算,得出以下結論:非理想駐波聲強有衰減現象,約37kHz頻率聲波的衰減系數雖較小,卻是1MHz頻率聲波在水中的衰減系數的300倍左右,相當于1MHz聲波在軟組織中的衰減系數。本實驗可以豐富聲速測量的實驗內容。數據分析中，由于儀器的局限和測量級別相當小，以至于極小值的測量值不能準確的反映出聲波衰減的實際情況。根據科學數據的取舍方法，與實際情況差異較大的實驗數據，理應結合理論情況對數據進行必要的取舍。因此在數據分析過程中，舍棄極小值的測量結果。但在繪制駐波聲壓波形圖時又利用