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Ein wellenleiterbasiertes Verfahren zur Bestimmung von Materialdaten für die realitätsnahe Simulation von Schallausbreitungsphänomenen am Beispiel stark absorbierender Kunststoffe
Erscheinungsjahr
2012
Verknüpfte Titel
Beschreibungen/Notizen
Tag der Verteidigung: 07.05.2012
Paderborn, Univ., Diss., 2012
ger: Es wird ein Verfahren vorgestellt, mit dem es möglich ist, anhand einer einzigen Transmissionsmessung durch einen akustischen Wellenleiter alle Daten zu bestimmen, die für eine Simulation von Schallausbreitungsphänomenen in stark absorbierenden und schwach anisotropen Materialien erforderlich sind. Genutzt wird die mehrmalige Modekonversion an den Mantelflächen eines Hohlzylinders, wonach ein Empfangssignal mehrere Signalgruppen aufweist, deren absolute Laufzeit, Laufzeitdifferenzen und Amplituden in Abhängigkeit der Materialkenngrößen stark variieren. Am Beispiel transversal isotroper Materialien wird der Zusammenhang zwischen Signal- und Materialkenngrößen erarbeitet. Damit ist einerseits eine optimale Auslegung des Probekörpers möglich, andererseits eröffnet sich die Möglichkeit zur halbanalytischen und damit besonders effizienten Simulation der Schallausbreitung im hohlzylindrischen Wellenleiter. Ein häufig in der Computersimulation verwendetes Dämpfungsmodell ist das Rayleigh-Dämpfungsmodell. Es wird hier unter dem Aspekt der Kausalität neu interpretiert, woraus sich auch Konsequenzen für die weitere Parametrisierung der Materialkenngrößen des Computermodells ergeben. Ein weiterer Schwerpunkt liegt auf der eindimensionalen und breitbandigen Modellierung der Oberflächenauslenkung eines piezoelektrischen 1-3 Composites. Die Modelle werden zur Erzeugung kurzer und in der Signalform weitgehend nicht verzerrter Ultraschallsignale sowie zur ganzheitlichen Simulation des realisierten Versuchsaufbaus genutzt. Die Funktionsweise des Verfahrens, insbesondere die Signalerzeugung, die Extraktion charakteristischer Signalmerkmale und schließlich die Übertragung auf Werkstoff- und Modellkenngrößen wird für zwei isotrope und einen schwach anisotropen Kunststoff demonstriert.
eng: With this dissertation a measurement procedure is stated, which enables to determine all data that are necessary for the simulation of sound propagation phenomena in highly absorbing and weakly anisotropic materials by means of one single transmission measurement through an acoustic waveguide. For that purpose, the consecutive mode conversions at the lateral surfaces of a hollow cylinder are used, whereupon the received signal consists of several signal groups that differ in time-of-flight, delay times and amplitudes, which strongly depend of the material characteristics. The interrelation between signal characteristics and material parameters will be developed for transverse isotropic materials. Therewith it is possible to find an optimal design of the test specimen as well as to model the transient sound propagation through the waveguide very efficiently, if wave theory is taken into account. A common model for damping in computer simulations is the Rayleigh damping model. Here it is anew interpreted under the aspect of causality, wherefrom new consequences for the parameterization of material parameters of the computer models arise. Another main focus of this work is the one-dimensional and wide-band modeling of the surface displacements of a piezoelectric 1-3 composite. On the one hand the models are used to generate very short and non-distorted ultrasonic signals. On the other hand they are part of the holistic simulation of the realized experiment set-up. The functionality of the measuring method, in particular the signal generation, the extraction of signal characteristics and, finally, the mapping to material and model parameters is demonstrated for two isotropic and one weakly anisotropic synthetic materials.