实验一声压级传播衰减测量
实验一声压级传播衰减测量
1、实验目的
在实验室对自由球面波声场中传播衰减进行测量，掌握球面波衰减规律，掌握实验数据处理分析方法。
1.1、实验原理
在自由球面波声场中，沿球半径方向，声压的振幅值满足关系
p(r)-
r
式中，A为常数，其值相当于r 1m处的声压幅值，因此水听器的输出信号幅度在球面波声场中随它离球心的距离成反比衰减。
对上式可以取对数，得到声压级
随距离对数值的关系：
p(r)
SL 20log 上
P o
A r
20log 20log -
P°r°r o
式中P o 1 Pa , r o 1m。
由上式可见，右边第一项为常数，它表示声源强度等于离源中心1m处得声压级。
可见，在声压和距离的双对数坐标系统中，上式为一直线，并且距离每增加一倍，声压级减少6dB。
1.2、实验方法
实验在水箱内进行，实验中信号发射系统包括功率放大器、示波器、信号源、测量放大器、发射换能器、水听器各一个，测量系统连接示意图如图1所示。
图1测量系统连接示意图
将标准水听器装在带有距离刻度的扫描基阵架上。
测量时由信号源发出单频脉冲信号，经功率放大器送入发射换能器，脉冲宽度应保证反射信号和直达波信号能够隔离。
声波由标准水听器接收，水听器测量输出信号送到测量放大器后，再通过示波器可以直接读取直达接收信号脉冲峰的值，排除反射脉冲信号池壁反射波影响。
1.3、实验测量步骤如下：
1）连接实验设备，并进行检查，确认连接正确；
2）发射换能器和接收水听器入水至合适深度，保证标准水听器测量时应与
发射换能器同深度，发射换能器与水听器之间的初始测量距离为0.2m；
3）调节测量功率放大器和示波器，观测水箱内噪声信号；
4）根据实验条件（水箱尺寸、声源谐振频率）设定发射信号中心频率、脉宽等参数，调节功率放大器，声源发射脉冲信号。
通过示波器观察水听器接收信号;
5）读取直达接收信号脉冲峰的值，排除反射脉冲信号池壁反射波影响；
6）当对一个位置的数据测量完毕后，等间隔的逐次改变测量位置，观察信号变化情况，读取每个距离时的输出测量值，记录数据；
2、实验数据处理
2.1、传播衰减
根据声压随球面波衰减及SL的定义式可得到SL的测量式如下SL(R) PL(R) 20lg(R)
20lg（电压有效值）203-20lg（测放）20lg（R）
其中测量放大器的放大倍数为40dB,即20lg（测放）40dB
换能器与水听器之间的测量距离R分别0.2m,0.3m,0.4m,0.5m,0.6m,0.7m,0.8m时测得的数据如下表所示
测量距离R
（cm 20lgR Vpp峰峰值
（V）
幅值
（V）PL(dB) SLdB
20 -13.979
40009 8 4 175.0411998 161.0617997
30 -10.457
57491 5.4 2.7 171.6272753 161.1697004
40 -7.9588
00173 4.2 2.1 169.4443859 161.4855857
50 -6.0205
99913 3.6 1.8 168.1054501 162.0848502
60 -4.4369
74992 2.8 1.4 165.9225607 161.4855857
70 -3.0980
392 2.6 1.3 165.278867 162.1808278
80 -1.9382
0026 2.2 1.1 163.8278537 161.8896534
2.1.2、传播衰减曲线如下
PL衰减曲线
180
175
170
165
160
155
0 2 4 6 8
—PL(dB)
2.1.3、实验图片
2.1.4、实验误差
R2R3
取其中R1=0.2m,R2=0.4m,R3=0.8m三个距离，其中R2 2,竺2,其声压级PL
R1 R2
差值PL如下
当传播距离增加一倍时，PL的理论衰减值为6dB 实验误差
E1=6.72%
E2=6.39%
2.1.5、分析误差产生的原因：
①读取示波器上的峰峰值是通过数屏幕上的波形所占格数读取，读数存在一定误
差。
②在改变水听器的距离R时，由于测量不准存在一定误差
③发射换能器和接收水听器在入水深度上有偏差，不能完全到达同一高度
④水箱受到外界干扰而产生误差
⑥改变距离后未等到水听器完全静止，造成读数存在误差
2.2发射换能器的指向性
固定两水听器之间的距离为0.8,m,旋转发射换能器，使之在-60°到60°之间旋转，每隔10°测量一次，所得数据如下
2.2.1发射换能器指向性图如下
发射换丙曙指间性图
3、思考题
1、如何区分直达信号和反射信号？
可根据接收换能器和目标之间的距离，算出反射波到达接收器的时间，再在示波器上对应的时间点找到的波即目标回波，一般来说目标回波比池壁反射
波到达的时间更短。
2、发射信号的脉冲宽度选取原则是什么？
①避免边界影响
-（d2 H2 d）
c
1（、d2 B2 d）
c
丄（L d）
c
式中，L为水箱长度，B为水箱宽度，H为水箱深度，d为发射换能器和接收换能器之间的距离。
②换能器尺寸大于声波长时，避免换能器之间的反射影响
2d
③为与连续信号测量相比拟，使换能器达到稳态条件
Q
f
式中，Q为发射换能器的品质因数，fo为发射换能器的谐振频率。
④为与连续信号测量相比拟，使换能器各部分之间完成相互作用
2L
c
式中，I为沿声波传播方向上水听器的尺寸。
⑤为保证声信号不发生畸变，测试设备等带宽应为：
f 2
4、实验总结
①通过该实验，我了解了测量声压级的方法，即先通过水听器将声信号转换成电信号，再通过测量放大器放大，并掌握了如何由测得的电压转换成声压的具体公式，由此可将电信号还原成声信号，熟悉了声一电一声的转换过程。
②同时我也验证了声波在自由场中按球面波衰减的规律，当声波传播距离增加一倍时，衰减分别为5.60dB和5.61dB,与理论值6dB相差不大，此实验让我将理论贴合了实际
③通过改变发射换能器的角度，我画出了发射换能器的指向性图，所画图形与教材中的指向性图颇为相似，总之，本次实验让我很好的将理论和实际联系起来，培养了我的动手能力，提高了我的实验技巧。