超聲波在介質(zhì)中傳播的能量損失研究

摘 要：通過壓電陶瓷換能器將信號發(fā)生器的電信號轉(zhuǎn)換為超聲波信號，應(yīng)用極大值方法，得到超聲波在紙張和布料兩種介質(zhì)中的能量衰減規(guī)律。并分析了超聲波在介質(zhì)中傳播能量損失的原因。

關(guān)鍵詞：超聲波 介質(zhì) 能量 衰減

中圖分類號：TE254 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）10（b）-0116-02

1 壓電陶瓷換能器

壓電陶瓷換能器由壓電陶瓷片和兩種金屬組成，在一定的溫度下經(jīng)極化處理后，具有壓電效應(yīng)。當(dāng)發(fā)射端的壓電陶瓷固有頻率等于信號發(fā)生器的發(fā)射頻率時，將產(chǎn)生共振，發(fā)射端產(chǎn)生超聲波。并且向前傳播。當(dāng)超聲波傳到接收端時，壓電陶瓷也將產(chǎn)生共振，在經(jīng)過轉(zhuǎn)化電路把壓電陶瓷的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電信號傳給示波器，可以將信號發(fā)生器的脈沖信號表示成： （1）

當(dāng)壓電陶瓷換能器發(fā)射端的超聲波經(jīng)過介質(zhì)傳到接收器，并且發(fā)射器探頭與接收器探頭平行時，在接收器與發(fā)射器之間，入射波與反射波相干疊加，當(dāng)放入介質(zhì)的時候峰-峰值會隨著探頭的距離變化而發(fā)生變化。

2 利用極大值法測量

2.1 超聲波在紙張里的能量衰減

測量數(shù)據(jù)如表1所示（表格中的d1為紙張的厚度0.04 mm/層；Vp-p為電壓峰峰值）。

根據(jù)表1數(shù)據(jù)超聲波在紙張中的能量衰減曲線如圖1所示。

2.2 超聲波在布料里的能量衰減

測量數(shù)據(jù)如表2所示（表格中的d2為布料的厚度0.041 mm/層；Vp-p為電壓峰峰值）。

根據(jù)表2數(shù)據(jù)，得出超聲波在布料中的能量衰減曲線如圖2所示。

3 超聲波在介質(zhì)中傳播能量損失的原因分析

通過對超聲波能量在介質(zhì)中的損失研究表明，損失主要由以下幾個原因造成。

3.1 吸收損耗

由于超聲波在介質(zhì)中傳播時介質(zhì)非理想，不均勻，使物質(zhì)內(nèi)部的分子之間相互運(yùn)動，導(dǎo)致超聲波能量被介質(zhì)吸收而轉(zhuǎn)化為熱能。超聲波的能量衰減程度會隨著物質(zhì)的致密性增加而增加。

3.2 擴(kuò)散損耗

超聲波在傳輸過程中波陣面不斷擴(kuò)大，造成單位面積上的能量減小，波陣面上的平均功率密度減小，表現(xiàn)為聲強(qiáng)的衰減，所以超聲波的能量隨著超聲波在物質(zhì)中的傳播距離的增加而減弱。隨著距離的衰減而加強(qiáng)。

3.3 散射損耗

超聲波在傳播過程中，遇到不同介質(zhì)時，將發(fā)生散射，從而損失超聲波的能量，散射主要發(fā)生在介質(zhì)的粗大晶粒表面。由于晶粒排列不規(guī)則，在傾斜的界面上發(fā)生反射、折射等，導(dǎo)致能量損耗。

4 超聲波在紙張和布料不同介質(zhì)中的能量衰減對比圖

圖3中測量點(diǎn)為“★”表示紙張圖線，對超聲波的衰減特別大，有一層紙（紙張厚度d1=0.040 mm/層）已經(jīng)將同樣大小的超聲波，差不多已損失殆盡，而另一測量點(diǎn)為“■”圖線表示的是布料（布料厚度d2=0.041 mm/層），則衰減比較緩慢，隨著厚度的增加，兩種介質(zhì)對超聲波的衰減趨勢將變得緩慢。

在研究中通過對數(shù)據(jù)的分析發(fā)現(xiàn)超聲波在不同的介質(zhì)中能量的衰減變化不相同，超聲波會隨著材料的材質(zhì)，還有物質(zhì)的厚度發(fā)生變化，并且會有超聲波次極大值的出現(xiàn)，在超聲波測量當(dāng)中要嚴(yán)格地把握材料的相似性。有些沒有辦法避免的因素，應(yīng)該用控制變量的方法，得出每一個影響超聲波能量的因素。

超聲波在介質(zhì)傳播過程中，伴隨著介質(zhì)形變、壓縮、溫度升高等一些現(xiàn)象，并且在介質(zhì)內(nèi)部產(chǎn)生內(nèi)摩擦，使得超聲波的能量減弱，通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，超聲波在不同的物質(zhì)中，它的衰減程度不相同，在均勻致密的物質(zhì)衰減的程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于在不均勻稀疏的物質(zhì)，這其中吸收損耗占主要作用，但是隨著介質(zhì)厚度的增加，能量衰減曲線的變化變得非常緩慢，這時起主要作用的是擴(kuò)散損耗，當(dāng)介質(zhì)的厚度到達(dá)一定程度，能量曲線就變得很微弱了，散射損耗的損失就加大了，占了損耗的大部分。所以超聲波在介質(zhì)中的能量損失是有幾種損失共同作用的結(jié)果，隨著材料的不同、結(jié)構(gòu)的不同，發(fā)生著變化。

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