超聲波在介質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生器的電信號轉換為超聲波信號，應用極大值方法，得到超聲波在紙張和布料兩種介質中的能量衰減規律。并分析了超聲波在介質中傳播能量損失的原因。

關鍵詞：超聲波 介質 能量 衰減

中圖分類號：TE254 文獻標識碼：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，在一定的溫度下經極化處理后，具有壓電效應。當發射端的壓電陶瓷固有頻率等于信號發生器的發射頻率時，將產生共振，發射端產生超聲波。并且向前傳播。當超聲波傳到接收端時，壓電陶瓷也將產生共振，在經過轉化電路把壓電陶瓷的機械能轉化為電信號傳給示波器，可以將信號發生器的脈沖信號表示成： （1）

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

2 利用極大值法測量

2.1 超聲波在紙張里的能量衰減

測量數據如表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）。

根據表1數據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

測量數據如表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）。

根據表2數據，得出超聲波在布料中的能量衰減曲線如圖2所示。

3 超聲波在介質中傳播能量損失的原因分析

通過對超聲波能量在介質中的損失研究表明，損失主要由以下幾個原因造成。

3.1 吸收損耗

由于超聲波在介質中傳播時介質非理想，不均勻，使物質內部的分子之間相互運動，導致超聲波能量被介質吸收而轉化為熱能。超聲波的能量衰減程度會隨著物質的致密性增加而增加。

3.2 擴散損耗

超聲波在傳輸過程中波陣面不斷擴大，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，表現為聲強的衰減，所以超聲波的能量隨著超聲波在物質中的傳播距離的增加而減弱。隨著距離的衰減而加強。

3.3 散射損耗

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

4 超聲波在紙張和布料不同介質中的能量衰減對比圖

圖3中測量點為“★”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）已經將同樣大小的超聲波，差不多已損失殆盡，而另一測量點為“■”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，兩種介質對超聲波的衰減趨勢將變得緩慢。

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

超聲波在介質傳播過程中，伴隨著介質形變、壓縮、溫度升高等一些現象，并且在介質內部產生內摩擦，使得超聲波的能量減弱，通過實驗發現，超聲波在不同的物質中，它的衰減程度不相同，在均勻致密的物質衰減的程度遠遠大于在不均勻稀疏的物質，這其中吸收損耗占主要作用，但是隨著介質厚度的增加，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散損耗，當介質的厚度到達一定程度，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。所以超聲波在介質中的能量損失是有幾種損失共同作用的結果，隨著材料的不同、結構的不同，發生著變化。

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