文档介绍：物理实验报告
课程名称: 大学物理实验
实验名称: 声波衰减系数测量
学院: 专业班级:
学生姓名: 学号:
实验地点: 基础实验大楼104教室
实验时间:
一、实验目的:
了解交流桥路的特点和调节平衡的方法。
使用交流电桥测量电容及其损耗。
使用交流电桥测量电感及其品质因素。
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:
式中I0表示入射初始声强,Id 为深入媒质d 距离处的声强,为衰减系数。
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:
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。
3. 衰减系数的确定
由声压与声强的关系:
在声波传播时,声强衰减如下式所示:
声压与电压关系:
得
对其两边取对数则有:
式中为衰减系数,可看出电压对数的两倍2lnUd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、实验仪器:
声速测定仪、数字示波器、函数信号发生器、信号连接线。
四、实验内容和步骤:
调节信号源,示波器至最佳读取状态,信号源频率处于换能器共振频率附近,使得示波器显示信号波形大小合适,位置居中。
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,测量20组左右。
五、实验数据与处理:
实现lnU计算的C源代码为:
可得下表数据:
次数
峰值距离mm
峰值电压V
2lnU
次数
峰值距离mm
峰值电压V
2lnU
1