Details

Autor(en) / Beteiligte

• Bause, Fabian
• Henning, Bernd[Akademischer Betreuer]
• Walther, Andrea[Akademischer Betreuer]

Titel

Ein ultraschallbasiertes inverses Messverfahren zur Charakterisierung viskoelastischer Materialparameter von Polymeren

Ort / Verlag

Paderborn

Erscheinungsjahr

[2016]

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• Volltext

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Beschreibungen/Notizen

• Tag der Verteidigung: 24.03.2016
• Open Access
• ger: Für die numerische Simulation von Schallausbreitungsphänomenen in, und die Dimensionierung von, akustischen (Mess-)Systemen ist die Verwendung realitätsnaher Materialmodelle und Materialparameter ein zentrales Problem. Akustische Materialparameter lassen sich nicht aus quasistatisch ermittelten Kenngrößen, wie sie in Datenblättern der Hersteller von Halbzeugen angegeben werden, berechnen. Bestenfalls können grobe Abschätzungen getroffen werden, wobei diese gerade bei Polymeren für eine fundierte Betrachtung der Schallausbreitung unzureichend sind. In dieser Arbeit wird ein Messverfahren vorgestellt, welches, für eine gegebene polymere Materialprobe, ein komplex-wertiges und frequenzabhängiges Materialmodell, unter Berücksichtigung von Anisotropie sowie Spannungsrelaxations- und Retardationsprozessen, quantifiziert. Die Materialproben werden als hohlzylindrische Wellenleiter ausgelegt und Ultraschall-Transmissionsmessungen zwischen den parallelen Seiten der Probe durchgeführt. Zur Berücksichtigung der Frequenzabhängigkeit werden fünf verschiedene Schallwandler-Paare mit einer aufsteigenden Mittenfrequenz von 750 kHz bis 2,5 MHz verwendet. Jedes der fünf Messsignale trägt nach Durchlaufen der Materialprobe Informationen über die Materialparameter, die räumliche und spektrale Anregung der Probe sowie die Probengeometrie. In einem inversen Verfahren werden diese Informationen voneinander separiert. Die Lösung des inversen Problems erfolgt deterministisch durch iterativen Vergleich einer Vorwärtssimulation des gesamten Messsystems mit den experimentell bestimmten Messdaten. Bei gegebener Lösung des inversen Problems wird ebenfalls eine Abschätzung der Messunsicherheit eines jeden identifizierten Materialparameters durchgeführt.
• eng: For the numerical simulation of acoustic wave propagation in, and the design of acoustic (measurement) systems, the use of reliable material models and material parameters is a central issue. Acoustic material parameters cannot be evaluated based on quasistatically measured parameters, as are specified in data sheets by the manufacturers. At best, rough estimates can be made, which are insufficient for a thorough consideration of acoustic wave propagation, especially in polymers. In this work, a measurement method is presented which quantifies, for a given polymeric material sample, a complex-valued and frequency-dependent material model, taking anisotropy, stress relaxation and creep retardation processes into account. The material samples are designed as hollow cylindrical waveguides. Ultrasonic transmission measurements are carried out between the parallel faces of the sample. To account for the frequency dependency of the material properties, five different transducer pairs with ascending central frequency of 750 kHz to 2,5 MHz are used. Each of the five received signals contains, after passing through the sample, information on the material parameters, on the spatial and spectral excitation of the sample and on the sample geometry, which are separated from each other in an inverse procedure. The solution of the inverse problem is carried out deterministically by iterative comparison of forward simulations of the entire measurement system with the experimentally determined measurement data. For a given solution of the inverse problem, an estimate of the measurement uncertainty of each identified material parameter is calculated.