南昌大学物理实验报告
课程名称： 大学物理实验
实验名称： 声波衰减系数的测量
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一、实验目的： 测出声波在空气中声强衰减系数。 二、实验原理： 1. 声强与声压之间的关系 声波在介质传播过程中,其能量随着传播距离的增加而逐渐减弱的现象称为声波的衰 减。声功率是指声源在单位时间内辐射的总声能量，常用W 表示，单位为瓦。声功率 是表示声源特性的一个物理量，声功率越大，表示声源单位时间内发射的声能量越大， 引起的噪声越强。声强是指在声场中垂直于声波传播方向上，单位时间内通过单位面积 的声能，常以 I 表示，单位为瓦/平方米。声波在媒介中传播时，声强衰减如下式所示： I d ? I 0 e?d 式中 I 0 表示入射初始声强， I d 为深入媒质 距离处的声强， ? 为衰减系数。 d 目前，在声学测量中，声强和声功率通常不易直接测量，往往要根据测出的声压通 过换算来求得，故常用声压来衡量声音的强弱。声波在大气中传播时，引起空气质点的 振动，从而使空气密度发生变化。在声波所达到的各点上，气压时而比无声时的压强高， 时而比无声时的压强低，某一瞬间介质中的压强相对于无声波时压强的改变量称为声 压，记为 P ，单位是帕斯卡。在自由声场中，声波传播方向上某点声强 I 与声压 P 、媒 介特性阻抗 Z 存在如下关系： I ? P 2 2.声压与电压关系 超声换能器的核心部件是压电陶瓷片。压电陶瓷片是用多晶体结构的压电材料(如 钛酸钡)，在一定的温度下经极化处理制成的。它具有压电效应。在简单情况下，压电 材料受到与极化方向一致的应力 F 时，在极化方向上产生一定的电场强度 E 。它们之间有一简单的线性关系 2Z E ? gF 。反之，当在压电材料的极化方向上加电场 E 时，材料 的伸缩形变 S 与电场 E 也有线性关系 S ? kE ，比例系数 g 、 k 称为压电常数，它与材 料性质有关。 由于 E 和 F 、 S 和 E 之间具有简单的线性关系，因此，能将正弦交流信号变成压 电材料纵向长度的伸缩，使压电陶瓷成为声波的波源。反过来，也可以使声压变化转变 为电压的变化，即用压电陶瓷片作为声频信号的接收器。压电陶瓷超声换能器产生的超 声波频率比较单纯，方向性强，基本上是一个平面波，这对于提高测量的精密度是有利 的。 P ? kU 3. 衰减系数的确定由声强与声压的关系: I ? P 2 2Z 得 声压与电压关系 在声波传播时,声强衰减如下式所示: I d ? I 0 e?d P ? kU U 2 d ? U 0 2 e?d 对其两边取对数则有： 2 lnU d ???d ? lnU 0 2 （1） 式中为 ? 为衰减系数，可看出电压对数的两倍 2 lnU d 与衰减系数 ? 成线性关系。若测得 n 组电压数值，作如上处理。（1）式求得斜率即求得衰减系数 ? 。 三、实验内容和步骤： 1. 调节信号源，示波器至最佳状态 信号源频率处于换能器共振频率附近，示波器显示信号波形大小合适，位置居中。 2. 将接收换能器从相距发射器 40mm 左右开始往后移动，连续捕捉极大电压峰值，并记下各自相应的峰峰电压值和接收换能器位置。 四、实验数据与处理： 试验次数 峰值距离d(mm) 2lnUd 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 峰值电压Ud 43.421 48.018 52.725 57.374 66.69 76.024 80.712 85.368 104.923 113.285 122.63 132.991 141.087 150.641 159.824 7.456200335 41.6 7.076113129 34.4 7.052721049 34 6.635631545 27.6 6.322493424 23.6 6.288304557 23.2 6.253521072 22.8 5.951059132 19.6 5.824701329 18.4 5.642757773 16.8 5.494541829 15.6 5.442590856 15.2 5.278114659 14 5.160433659 13.2 5.035392945 12.4
南昌大学声波衰减系数的测量
