北 京 交 通 大 学

大学物理实验

设计性实验（预习报告）

实验题目 超声波衰减系数的测量            

学院   交通运输学院    

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首次实验时间2013年11月4日

指导教师签字          

目录

一、实验任务... 3

二、实验要求... 3

三、实验方案... 3

１、物理模型的比较与选择... 3

２、实验方法的比较与选择... 4

３、仪器的选择与配套（系统误差分析）... 5

(1)误差公式的推导... 5

(2)仪器的选择... 5

４、测量条件与最佳参数的确定... 6

(1)测量条件... 6

(2)最佳参数... 6

四、实验步骤... 7

五、实验注意事项... 8

六、参考文献... 8

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、实验方案

１、物理模型的比较与选择

(1) 测量固态材料超声波衰减系数：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。

(2)驻波法：当信号源输出的正弦波接到发射换能器S₁上时，换能器的表面发出超声波，该超声波到达接收换能器S₂上，一部分被反射。当两个换能器端面的距离恰好为半波长的整数倍时，

             即  k=1,2……

入射波与反射波相互叠加恰好形成驻波。驻波相邻两个波节或波腹间距离为半个波长。由于超声波是纵波。声学量可用声压对其进行描述。接收器接收到的声压转换成电压信号，并由示波器显示出其电压值。要说明的是：在超声驻波中，波腹处声压小，接收器输出的电压幅值小；波节处声压大，接收器上输出的电压幅值也大。这样可以根据换能器输出的电压信号幅度的大小来求波长。本实验应用共振干涉法测量超声波在介质中的衰减系数和反射系数。

(3)以脉冲反射法，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。

２、实验方法的比较与选择

由于实验室可提供的测量介质为液体和气体所以模型一不可使用，而模型三不如模型二操作方便，故选用模型二进行测量模型二：驻波法

数值模拟和实验操作都发现测量声速时，示波器显示接收端波形振幅会衰减。这暗示了可利用该方法测量超声波的衰减系数。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。用驻波法测量超声波在空气中衰减系数的实验方法，与前人的方法进行比较，新的测量结果更符合实际。只有当换能器反射系数r<0.619时,用简单波拟合得到的衰减系数才比较可信。

３、仪器的选择与配套（系统误差分析）

(1)误差公式的推导

超声波在损耗介质中的准驻波效应

其中，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：

          

其中是信号发生器输出电压数值，U是示波器显示电压数值。

主要误差来自于读数误差，且声速受到环境影响。

设超声波接收器在任意波峰位置处时，示波器显示电压数值为，则

（7）

令

（8）

（9）

则（7）式可以写成：

（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。

(2)仪器的选择

声速测量仪（由压电陶瓷换能器、带有标尺的底座和读数装置组成）、信号发生器和示波器

４、测量条件与最佳参数的确定

(1)测量条件

信号源与换能器固有频率一致，在谐振情况下进行测量。压电换能系统有一谐振频率，当外加强迫力的频率等于谐振频率时，压电换能器产生机械谐振，此时得到电信号最强，它作为接收器的灵敏度最高；当输入电信号使压电换能器产生机械谐振时，它的振幅最大，作为波源的辐射功率也就最大。

(2)最佳参数

空气中超声波换能器的工作频率在37 kHz 附近，液体中超声波换能器的工作频率在100kHz——2MHz之间。

四、实验步骤

1、如图正确连接线路；

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和峰值电压，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；

6、将正弦信号改为方波或脉冲波重复上述步骤；

7、对实验所得数据进行处理，拟合曲线，分析数据。

波型：                 信号频率：                  室温：         

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。

六、参考文献

[1]成正维,牛原.大学物理实验.北京:北京交通大学出版社,2010.5

[2] 龙会国,胡波涛.钢铸件超声波衰减系数测量及其影响因素[A].

[3] 刘宁宁,余琳琳,喻玫.等.驻波法测超声波衰减系数[A].2011.10.

[4] 张庆,李卓凡,王小怀.声速测定中声强的综合衰减系数的测定[A].

[5] 《声速测量实验中声波衰减现象的研究》  贺梅英 黄沛天  《物理测试》 第25卷 第1 期 20## 年1 月

第二篇：物质衰减系数测量预习报告

近代物理实验预习报告

物质衰减系数测量

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时间  20##年4月13日

【摘要】

本实验利用CD5O-BGA+型CT教学实验仪对钢质台阶形测试试件扫描，获得的γ射线穿透物质前后的强度数据，用最小二乘法对数据进行处理，并拟合出射线穿透前后强度之比的对数与射线穿透距离图线。根据射线穿透物质时的衰减规律，由图线斜率确定这种钢的衰减系数。

结合上学期我们所做过的CT和γ射线的吸收实验，本实验的研究有助于我们复习有关方面的知识，并做更深入一步的实验研究。

【关键词】

衰减系数，射线，CT，阶梯状钢

【引言】

γ射线首先由法国科学家P.V.维拉德发现，是继α、β射线后发现的第三种原子核射线。原子核衰变和核反应均可产生γ射线。通过对 γ 射线谱的研究可了解核的能级结构。 γ 射线有很强的穿透力，工业中可用来探伤或流水线的自动控制。 γ 射线对细胞有杀伤力，医疗上用来治疗肿瘤。

γ射线是处于激发态原子核损失能量的最显著方式，γ跃迁可定义为一个核由激发态到较低的激发态、而原子序数Z和质数A均保持不变的退激发过程。γ射线是光子，光子会与被束缚在原子中的电子、自由电子、库伦场、核子等带电体发生相互作用。不同能量的γ射线与物质的相互作用效果不同，为了有效地屏蔽γ辐射，需要根据物质对γ射线的吸收规律来选择合适的材料及厚度，反之，利用物质对γ射线的吸收规律可以进行探伤及测厚等。因此研究不同物质对γ射线的吸收规律的现实意义非常巨大，如在核技术的应用与辐射防护设计和材料科学等许多领域都有应用。

【正文】

一、  实验原理

γ射线是原子核能级跃迁蜕变时释放出的射线，具有极强的穿透本领。当γ射线穿过物质时，会与物质发生作用，其强度会减弱。不同物质对γ射线的削弱程度不同。本次实验将具体测量钢的衰减系数。

朗伯-比尔定律可知

                             （1）

对该式取对数可得

                          （2）

从上式可以看出，物质的厚度d与成线性关系，其系数就是物质衰减系数。

由此我们想到可以通过实验测得射线穿过不同厚度的物质之后的强度变化数据，做出对应图线，通过求解图线斜率来求得物质的衰减系数。但是实验测量往往存在误差，使得结果无法形成一条真正的直线。所以在此法基础之上，我们还需利用最小二乘法对实验数据进行拟合，来求得物质衰减系数。

由于对厚度的测量的误差比较小，所以认为厚度值是准确的。根据最小二乘法原理，即偏差平方和最小，可得，

                      （3）

即

                           （4）

其中k就等于物质的衰减系数μ。

二、实验仪器

本次实验利用的仪器是CD5O-BGA+型CT教学实验仪。该仪器由核源、扫描台、接收区和控制台组成。核源由具有一定厚度的防护罩盖住，并配备安全的开启设施，起到保护作用。扫描台用来放置被扫描物体。通过控制台，使用者可以手动或自动对其下达平动、转动等指令，协助CT扫描的准备和进行。接收区接到从核源发出穿透被扫描物体而来的γ射线后，可以将其转化为电信号，并将射线强度数据反映在控制台。控制台是整个仪器运作的核心，它控制并监视整个扫描过程，并输出扫描结果。通过控制台，我们可以对扫描结果进行处理，比如输出扫描数据或对扫描结果进行图像重建、图像处理等等。

本次实验研究的是钢制的衰减系数，采用钢制台阶形的测试物件。这样做的好处是大大减少了扫描次数，因为通过一次扫描，我们就可以获得γ射线穿过不同厚度的实验材料后强度的衰减情况。不但节省了时间，而且增加了实验数据的可比性。