Vollständige Bestimmung der akustischen Materialparameter von Polymeren II

In diesem Forschungsprojekt wurde ein Messverfahren zur Bestimmung akustischer Materialparameter von Polymeren im Ultraschallfrequenzbereich entwickelt. Das Verfahrens sollte, die üblichen standardisierten Prüfmethoden erweitern, die bislang primär im quasistatischen oder niederfrequenten Bereich eingesetzt wurden. Im Gegensatz zu bestehenden Verfahren wie dem Zeitstandversuch oder der Dynamisch Mechanischen Analyse (DMA) nach [DIN6721] sollte die neue Methode eine nicht-invasive Charakterisierung der (visko-)elastischen Materialparameter im Frequenzbereich von 0,75 MHz bis 2,5 MHz ermöglichen. Das entwickelte Ultraschallmesssystem arbeitet nach dem Puls Echo-Prinzip und kann eine räumlich segmentierte, ringförmige Anregung erzeugen. Die Bestimmung der frequenzabhängigen Materialparameter geschieht hierbei über ein inverses Verfahren. Die Ergebnisse des Projekts zeigen, dass die Segmentierung der Anregung, die Geometrie der Probe sowie das Puls-Echo-Messprinzip die Messergebnisse sowie die Sensitivität gegenüber Scherparametern wesentlich beeinflussen. Im Rahmen des Projektes wurde auch eine statistische Auswertung des Optimierungsverfahrens hinsichtlich transversal-isotroper Materialsymmetrie mit Rayleigh-Dämpfung durchgeführt. Die Ergebnisse zeigen, dass das entwickelte Verfahren gute Konvergenzeigenschaften aufweist und sich durch verbesserte Robustheit auszeichnet.

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This research project involved developing a measurement method to determine the acoustic material parameters of polymers within the ultrasonic frequency range. The aim of this method is to extend the range of standardised tests that operate in the quasi-static or low-frequency range. In contrast to existing methods such as the creep test or dynamic mechanical analysis according to [DIN6721], the developed method is capable of non-invasive characterisation of the (visco-)elastic material parameters in the frequency range of 0,75 MHz bis 2,5 MHz. The developed ultrasonic measurement setup utilises the pulse-echo principle and can generate a spatially segmented, ring-shaped excitation. The frequency-dependent material parameters are determined using an inverse method. The final results of the project show that the segmentation of the excitation, the geometry of the specimen and the pulse-echo measurement principle have a significant influence on the measurement results and the sensitivity to shear movements. As part of the project, a statistical evaluation of the optimisation process was also carried out with regard to transversely isotropic material symmetry with Rayleigh damping. The results show that the developed process has good convergence properties and is characterised by improved robustness.