超声波在介质中传播的能量损失研究

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摘 要：通过压电陶瓷换能器将信号发生器的电信号转换为超声波信号，应用极大值方法，得到超声波在纸张和布料两种介质中的能量衰减规律。并分析了超声波在介质中传播能量损失的原因。

关键词：超声波 介质 能量 衰减

中图分类号：TE254 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2015）10（b）-0116-02

1 压电陶瓷换能器

压电陶瓷换能器由压电陶瓷片和两种金属组成，在一定的温度下经极化处理后，具有压电效应。当发射端的压电陶瓷固有频率等于信号发生器的发射频率时，将产生共振，发射端产生超声波。并且向前传播。当超声波传到接收端时，压电陶瓷也将产生共振，在经过转化电路把压电陶瓷的机械能转化为电信号传给示波器，可以将信号发生器的脉冲信号表示成： （1）

当压电陶瓷换能器发射端的超声波经过介质传到接收器，并且发射器探头与接收器探头平行时，在接收器与发射器之间，入射波与反射波相干叠加，当放入介质的时候峰-峰值会随着探头的距离变化而发生变化。

2 利用极大值法测量

2.1 超声波在纸张里的能量衰减

测量数据如表1所示（表格中的d1为纸张的厚度0.04 mm/层；Vp-p为电压峰峰值）。

根据表1数据超声波在纸张中的能量衰减曲线如图1所示。

2.2 超声波在布料里的能量衰减

测量数据如表2所示（表格中的d2为布料的厚度0.041 mm/层；Vp-p为电压峰峰值）。

根据表2数据，得出超声波在布料中的能量衰减曲线如图2所示。

3 超声波在介质中传播能量损失的原因分析

通过对超声波能量在介质中的损失研究表明，损失主要由以下几个原因造成。

3.1 吸收损耗

由于超声波在介质中传播时介质非理想，不均匀，使物质内部的分子之间相互运动，导致超声波能量被介质吸收而转化为热能。超声波的能量衰减程度会随着物质的致密性增加而增加。

3.2 扩散损耗

超声波在传输过程中波阵面不断扩大，造成单位面积上的能量减小，波阵面上的平均功率密度减小，表现为声强的衰减，所以超声波的能量随着超声波在物质中的传播距离的增加而减弱。随着距离的衰减而加强。

3.3 散射损耗

超声波在传播过程中，遇到不同介质时，将发生散射，从而损失超声波的能量，散射主要发生在介质的粗大晶粒表面。由于晶粒排列不规则，在倾斜的界面上发生反射、折射等，导致能量损耗。

4 超声波在纸张和布料不同介质中的能量衰减对比图

图3中测量点为“”表示纸张图线，对超声波的衰减特别大，有一层纸（纸张厚度d1=0.040 mm/层）已经将同样大小的超声波，差不多已损失殆尽，而另一测量点为“■”图线表示的是布料（布料厚度d2=0.041 mm/层），则衰减比较缓慢，随着厚度的增加，两种介质对超声波的衰减趋势将变得缓慢。

在研究中通过对数据的分析发现超声波在不同的介质中能量的衰减变化不相同，超声波会随着材料的材质，还有物质的厚度发生变化，并且会有超声波次极大值的出现，在超声波测量当中要严格地把握材料的相似性。有些没有办法避免的因素，应该用控制变量的方法，得出每一个影响超声波能量的因素。

超声波在介质传播过程中，伴随着介质形变、压缩、温度升高等一些现象，并且在介质内部产生内摩擦，使得超声波的能量减弱，通过实验发现，超声波在不同的物质中，它的衰减程度不相同，在均匀致密的物质衰减的程度远远大于在不均匀稀疏的物质，这其中吸收损耗占主要作用，但是随着介质厚度的增加，能量衰减曲线的变化变得非常缓慢，这时起主要作用的是扩散损耗，当介质的厚度到达一定程度，能量曲线就变得很微弱了，散射损耗的损失就加大了，占了损耗的大部分。所以超声波在介质中的能量损失是有几种损失共同作用的结果，随着材料的不同、结构的不同，发生着变化。

参考文献

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