DE2715710A1 - Verfahren und vorrichtung zur bestimmung der elastischen eigenschaften von materialien - Google Patents
Verfahren und vorrichtung zur bestimmung der elastischen eigenschaften von materialienInfo
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Description
MANITZ, FINSTERWALD & GRÄMKOW
München, den 7- April 1977 P/2/Ru - D 2244
DUNLOP LIMITED
Dunlop House, Ryder Street, St.James 1S, London S.W.1. England
Dunlop House, Ryder Street, St.James 1S, London S.W.1. England
Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung der elastischen Eigenschaften von Materialien
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Testen von Materialien und insbesondere ein Verfahren zur Bewertung
der elastischen Eigenschaften durch die Aussendung bzw. Übertragung von longitudinalen Spannungs- bzw. Druck- bzw.
Deformationswellen.
Gemäß der Erfindung wird eine Vorrichtung zur Bestimmung der
elastischen Eigenschaften von Materialien geschaffen, die folgende
Teile umfaßt: einen ein Fluid enthaltenden Behälter, einen ersten Übertrager zur Erzeugung von Druck- bzw. Deformationswellen,
einen zweiten Übertrager für die Aufnahme bzw. Messung und den Empfang der vom ersten Übertrager ausgehenden
Wellen, wobei der erste und der zweite Übertrager auf einer gemeinsamen Achse ausgerichtet sind, eine Tragvorrichtung ,
die dazu dient, in lösbarer Weise eine Probe des Materials
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DR. C. MANITZ - DIPU-INC. M. FINiTERWALD DIPL.-INC. W. CRAMKOW ZENTRALKASSE BAYER. VOLKSBANKEN
• MÖNCHEN 33. ROtERT-KOCH-STIASSE I 7 STUTTGART 50 (BAD CANNSTATT) MÖNCHEN. KONTO-NUMMER 7370
TEL. (0891 33 41 II. TELEX OS-«9673 PATMF SEELBERCSTR. 23/25. TEL.(0711)56 73 61 POSTSCHECK : MÖNCHEN 77062-806
innerhalb des Tanks zwischen dem ersten und dem zweiten Übertrager
so zu tragen, daß die Oberfläche dieser Probe senkrecht zur gemeinsamen Achse steht, und Vorrichtungen zum Vergleich
der Eigenschaften der durch den ersten Übertrager erzeugten Wellen und der vom zweiten Übertrager empfangenen Wellen«
Fernerhin umfaßt gemäß der Erfindung ein Verfahren zur Messung
der elastischen Eigenschaften eines Materials bei zwei Frequenzen, daß ein erster und ein zweiter Übertrager voneinander
beabstandet so angeordnet werden, daß eine dilatationale Druckbzw- Deformationswelle, die vom ersten Übertrager ausgeht, vom
zweiten Übertrager empfangen werden kann, daß der zweite Übertrager so eingestellt bzw. justiert wird, daß das empfangene
Signal ein Maximum annimmt, daß zwischen den Übertragern eine Probe des zu testenden Materials angeordnet wird, daß die vom
zweiten Übertrager empfangene Druck- bzw. Deformationswelle
mit der vom ersten Übertrager ausgesandten Welle verglichen und die elastischen Eigenschaften berechnet werden und daß die
vorausgehenden Schritte für eine zweite Frequenz wiederholt werden.
In der vorliegenden Beschreibung wird unter dem "elastischen Modul" eines Materials der auf die Ausbreitung von Druck- bzw.
Deformationswellen anwendbare Modul verstanden, d.h. der Ausdruck K + 4G/3, wobei K der Elastizitätsmodul für Druck und
G der Scherungsmodul des Materials ist.
Das Verfahren kann für eine Prüfung bei einer beliebigen Zahl von verschiedenen Frequenzen verwendet werden, doch ist klar,
daß der Bereich möglicher Frequenzen vom Qualitätsfaktor Q der in den Übertragern verwendeten Kristalle abhängt. Daher ist es
nötig, wenn eine Prüfung über einen großen Frequenzbereich erforderlich ist, Kristalle mit äußerst niedrigem Q zu verwenden,
um eine allgemein annehmbare Meßempfindlichkeit eicher-
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zustellen. Vorzugsweise ist das Q der Kristalle kleiner als
200, noch besser kleiner als 100.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist insbesondere für die Prüfung
von Gummi bzw. Kautschuk nützlich ohne jedoch hierauf beschränkt zu sein. Vorzugsweise wird ein Fluid verwendet, um
als Übertragungsmedium zwischen dem Sendekristall und der Probe und zwischen der Probe und dem Empfangskristall zu dienen.
Vorzugsweise hat das Fluid einen Schallwellenwiderstand bzw. eine Schallimpedanz (d.h. Dichte χ Wellengeschwindigkeit) die
gleich der Schallimpedanz des zu testenden Materials ist, damit auf diese Weise die Reflexion von Druck- bzw. Deformationswellen an den Proben-Fluid-Zwischenflachen möglichst klein gehalten
wird. Bei der Anwendung auf Gummi bzw. Kautschuk ist Wasser ein geeignetes Übertragungsfluid; ist ein Betrieb bei
höheren Temperaturen erforderlich, so kann Rizinusöl verwendet werden, während bei niederen Temperaturen, d.h. bis hinunter
zu -200C sich eine Mischung aus Wasser und Äthylen-Glykol als
zufriedenstellend herausgestellt hat. Es hat sich gezeigt, daß es in der Praxis wünschenswert ist, die zu testende Probe für
eine gewisse Zeitdauer vor dem eigentlichen Prüfvorgang in das Fluid einzutauchen, um sicherzustellen, daß keine Luftblasen
vorhanden sind, die ungewollte Reflexionen bewirken könnten.
Der Vergleichsschritt des Verfahrens kann so durchgeführt werden, daß man die Ergebnisse, die man mit der Vorrichtung erhält,
wenn sich die Probe in ihrer vorgesehenen Stellung befindet, mit den Ergebnissen vergleicht, die man ohne die Probe
entweder mit demselben Gerät erhält oder bei Verwendung eines zweiten Gerätes, wodurch ein direkter Vergleich möglich
wird. Ein ohne eine Probe durchgeführter Test kann bequemerweise als Einzeleichung für eine Reihe von Messungen bzw. Proben
verwendet werden.
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Die Erfindung wird im folgenden beispielsweise anhand der
Zeichnung beschrieben, deren einzige Figur eine für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignete Testvorrichtung
bzw. Prüfvorrichtung zeigt.
Die Vorrichtung ist so ausgelegt, daß Gummi- bzw. Kautschukproben über einen Frequenzbereich von 4-0 kHz bis 1 MHz und
über einen Temperaturbereich von 200C bis 1500C getestet
werden können.
Die Vorrichtung umfaßt einen Tank bzw. Behälter 1, der aus Kunststoffmaterial hergestellt ist, um innere Reflexionen von
Druck- bzw. Deformationswellen möglichst klein zu halten. In dem Tank sind zwei Kristall-Übertrager angeordnet: ein Erregerkristall
2 und ein Aufnehmerkristall 3 von denen jeder an einer Halterung 4- bzw. 5 befestigt ist, die mit Einstellschrauben
6 bzw. 7 versehen sind, damit der Abstand der Kristalle eingestellt werden kann. Die Kristalle sind einander identisch
und besitzen ein Q von 80 und eine Resonanzfrequenz von 1,8 MHz.
Zwischen den Kristallen sind Führungen 8 für die Anbringung einer zu prüfenden Gummi- bzw. Kautschukprobe angeordnet. Im
Betrieb wird der Behälter 1 mit Rizinusöl 10 gefüllt, das als Übertragungsfluid dient, und wird mit einem Deckel 11 aus
Kunststoffmaterial abgedeckt.
Im Betrieb wird der Erregerkristall 2 durch einen Signalgenerator mit der gewünschten Frequenz angeregt und sendet kontinuierlich
Druck- bzw. Deformationswellen durch das Übertragungsfluid>durch
die Probe 9 (wenn vorhanden) und durch weiteres Übertragungsfluid, worauf sie von dem Aufnahmekristall
3 empfangen werden. Rizinusöl wird als Übertragungsfluid gewählt, da es zufriedenstellend im erforderlichen Temperaturbereich
arbeitet und eine Schallimpedanz bzw. einen Schallwellenwiderstand aufweist, der gleich der Schallimpedanz von
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Gummi bzw. Kautschuk ist, so daß keine wesentlichen Reflexionen an den Fluid-Proben-Zwischenflachen auftreten. Es tritt jedoch
eine Reflexion auf, wenn eine Druckwelle auf den Aufnahmekristall 3 auftrifft und die reflektierte Welle läuft vom
Kristall 3 zurück durch die Probe zum Erregerkristall, an dem eine weitere Reflexion eintritt. Man sieht ohne weiteres, daß
eine unbegrenzte Zahl von Reflexionen auftritt, wobei fortschreitend jede reflektierte Welle schwächer ist, was auf
Übertragungs- und Reflexionsverluste zurückzuführen ist. Die Wechselwirkung zwischen der ursprünglichen und den nach und nach
reflektierten Wellen erzeugt ein Muster von stehenden Wellen, das durch voneinander beabstandete Punkte (Knoten und Antiknoten
bzw. Bäuche) mit minimalem und maximalem Scheiteldruck zwischen den beiden Kristallen gekennzeichnet ist. Die
Analyse von Reflexionen und stehenden Wellen ist ein aus der Wellentheorie allgemein bekanntes Problem.
Das bevorzugte Prüfverfahren umfaßt die Messung der Stärke der
Phasenverschiebung und Abschwächung des empfangenen Signals aufgrund des Vorhandenseins der Probe.
Eine Möglichkeit zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens
wird nun beschrieben. Zunächst wird die Vorrichtung bei der gewünschten Frequenz und Temperatur ohne eine Probe betrieben,
d.h. in einem Zustand, in dem das Übertragungsfluid den normalerweise von der Probe eingenommenen Raum ausfüllt.
Der Aufnahmekristall ist über einen geeigneten Verstärker mit einem Wechselstrom-Voltmeter und einem Phasenmesser verbunden
(damit ist die Phasenlage bezüglich des als willkürlicher Festwert dienenden Signalgenerator-Ausgangssignals gemeint). Der
Kristallabstand wird so eingestellt, daß das vom Aufnahmekristall
stammende Ausgangssignal maximal wird, d.h. so, daß sich der Aufnahmekristall am Bauch einer stehenden
Welle befindet. Dies ist ein bequemes Verfahren um sicherzu-
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Sf
stellen, daß die Stellung des Kristalls bezüglich des Musters der stehenden Wellen bekannt ist. Bei niederen Frequenzen,
d.h. unterhalb 50 kHz besitzen die Wellen eine relativ große
Wellenlänge und wenn die Bewegung des Kristalls begrenzt ist, kann es geschehen, daß es nicht möglich ist, den Empfangskristall
an einem Bauch anzuordnen. In diesem Fall wird der
Kristall in eine gegebene Stellung bezüglich des Musters der stehenden Wellen eingestellt und bei der Berechnung der Ergebnisse
eine entsprechende Korrektur vorgenommen.
Hierauf wird die Probe 9 (beispielsweise aus Gummi oder Kautschuk)
in die Führungen 8 eingeschoben.
Obwohl das Verfahren grundsätzlich auf Proben mit beliebiger Größe anwendbar ist, sollte sich, damit man genaue Ergebnisse
erhält, die Probe in der Querrichtung genügend weit erstrecken, um zu verhindern, daß direkt Wellen vom Erregerkristall zum
Empfangskristall übertragen werden, ohne durch die Probe hindurchzugehen.
Die Dicke der Probe (d.h. in einer Richtung gemessen, die parallel zu einer Verbindungslinie der Kristalle
verläuft) ist in der Praxis lediglich durch die Empfindlichkeit der Vorrichtung begrenzt. Es sei jedoch darauf hingewiesen,
daß es nicht möglich ist, auf elektrischem Wege Phasenverschiebungen festzustellen, die größer als 360° sind, und es ist daher
wünschenswert, zwei oder mehr Phasenverschiebungs-Messungen an Proben mit verschiedenen Dicken durchzuführen, um sicherzustellen,
daß z.B. nicht irrtümlicherweise ein Meßwert von 30° erhalten wird, während der wahre Meßwert 390° beträgt. Beispielsweise
wurde die beschriebene Vorrichtung zufriedenstellend mit drei Probengrößen verwendet:
(a) 170 mm χ 70 mm χ 4 mm
(b) 170 mm χ 70 mm χ 6 mm
(c) 170 mm χ 70 mm χ 12 mm
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Aufgrund der unterschiedlichen Wellengeschwindigkeit des Kautschuks im Vergleich zum Übertragungsfluid ändert sich die
Phase des empfangenen Signals und diese Phasenänderung kann von der Bedienungsperson am Phasenmesser abgelesen werden; alternativ
hierzu kann sie natürlich auch automatisch aufgezeichnet werden. Auch tritt eine Änderung in der Amplitude des
empfangenen Signals ein. Dies beruht auf zwei Faktoren: eine Änderung im Muster der stehenden Welle, die auf der oben erwähnten
Phasenverschiebung beruht, so daß sich der Aufnahmekristall 3 nicht langer an einem Bauch befindet und auf den
Signalverlusten in der Probe. Es gibt zwei Möglichkeiten, um die gewünschte Information zu gewinnen:
a) entweder stellt man den Kristallabstand neu ein, um die
Phasenverschiebung zu korrigieren und mißt dann die Signalamplitude, oder
b) man mißt die Signalamplitude ohne eine Neueinstellung und
korrigiert bzw. kompensiert die Phasenverschiebung bei der späteren Berechnung.
In den Fällen, in denen die Endergebnisse unter Verwendung
eines Komputers gewonnen werden, ist das letztere Verfahren zu bevorzugen, da es die Meßprozedur vereinfacht. Unter Verwendung
des letzteren Verfahrens kann der Modul der Probe aus der Phasenverschiebung nach der Gleichung
1 v2
K + 4G I 21Tf d
3 \ 21Tf d -
ermittelt werden, wobei
f die Betriebsfrequenz (Hz)
d die Probendicke (m)
d die Probendicke (m)
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ν, die Signalgeschwindigkeit im Übertragungsfluid (ms )
{3 der Reflexionskoeffizient an den Fluid-Kristall-Zwischenflachen
(experimentell aus dem anfänglichen Verhältnis der stehenden Wellen bestimmt),
oL 2 die Abschwächung des Signals im Übertragungsfluid (m ),
y die Phasenverschiebung und
P die Dichte des Materials (kg m~^) bedeutet.
Der Verlustfaktor, der durch die Beziehung
P die Dichte des Materials (kg m~^) bedeutet.
Der Verlustfaktor, der durch die Beziehung
Verlustfaktor ■ Rate der Energievernichtung ^_
2Tx Maximum der gespeicherten Energie
definiert ist, wird gewonnen aus:
Verlustfaktor ■ <*. ν ,
Verlustfaktor ■ <*. ν ,
wobei OC die Abschwächung in der Probe bedeutet. Diese Abschwächung
wird aus der gemessenen Scheitelsignalamplitude (d.h. den
Scheiteldruck ρ gemessen durch den Aufnahmekristall) nach folgender
Gleichung bestimmt:
(10^e
709843/0794 ist.
Hierbei bedeutet:
A eine Konstante, die durch die Anfangsmessung ohne eine
Gummi- bzw. Kautschukprobe ermittelt wird,
1 den Abstand zwischen den Kristallen (M) P, die Dichte des Ubertragungsfluids (kg m~*) und
ν die Signalgeschwindigkeit in der zu messenden Probe (ms )
- Patentansprüche -
Claims (12)
1. Vorrichtung zur Bestimmung der elastischen Eigenschaften von Materialien mit einem ein Fluid enthaltenden Behälter,
einem ersten Übertrager zur Erzeugung einer Druckwelle, einem zweiten Übertrager zur Aufnahme bzw. Messung und
Empfang der vom ersten Übertrager ausgehenden Wellen, dadurch gekennzeichnet , daß der erste und der
zweite Übertrager (2, 3) auf einer gemeinsamen Achse ausgerichtet
sind, daß eine Tragvorrichtung (8) vorgesehen ist, die dazu dient, in lösbarer Weise eine Materialprobe
innerhalb des Behälters (1) zwischen dem ersten (2) und dem zweiten (3) Übertrager so zu haltern, daß die Oberfläche
der Probe senkrecht zu der gemeinsamen Achse steht, und daß Vorrichtungen zum Vergleich der Eigenschaften der
durch den ersten Übertrager (2) erzeugten Wellen und der vom zweiten Übertrager (3) empfangenen Wellen vorgesehen
sind.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß wenigstens einer der Übertrager in dem Behälter
so beweglich ist, daß der Abstand zwischen dem ersten und dem zweiten Übertrager verändert werden kann.
3- Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Tragvorrichtung (2) auf gegenüberliegenden
Seiten des Behälters angeordnete Führungen umfaßt, um so eine Materialprobe zu haltern, die sich im
wesentlichen über die ganze Breite des Behälters erstreckt.
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ORIGINAL INSPECTED
4. Vorrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet , daß das Fluid die gleichen Schalleigenschaften
wie das zu testende Material besitzt.
5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet , daß die Vorrichtung zum Vergleich der Welleneigenschaften einen Phasenmesser
umfaßt.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5> dadurch gekennzeichnet,
daß die Vorrichtung weiterhin wenigstens ein Wechselspannungs-Voltmeter
zur Messung der Amplitude des empfangenen Signals umfaßt.
7· Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß die Übertrager piezoelektrische
Kristallübertrager sind.
8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß der Behälter aus Kunststoffmaterial
hergestellt ist.
9· Verfahren zur Messung der elastischen Eigenschaften eines
Materials bei zwei Frequenzen, dadurch gekennzeichnet , daß ein erster und ein zweiter Übertrager
voneinander beabstandet so angeordnet werden, daß eine vom ersten Übertrager ausgehende dilatationale Druckwelle vom
zweiten Übertrager empfangen werden kann, daß der zweite Übertrager so einjustiert wird, daß das empfangene Signal
einen Maximalwert annimmt,
daß zwischen den Übertragern eine Probe des zu testenden Materials angeordnet wird, daß die am zweiten Übertrager
empfangene Druckwelle mit der vom ersten Übertrager aus-
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gesandten Druckwelle verglichen und die elastischen Eigenschaften berechnet werden und daß die vorausgehenden Schritte
für eine zweite Frequenz wiederholt werden.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet,
daß der Vergleichsschritt des Verfahrens eine Messung der Phasenverschiebung und der Amplitude der Druckwelle
umfaßt.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet,
daß der elastische Modul des Materials aus der Phasenverschiebung berechnet wird.
12. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet,
daß der Verlustfaktor des Materials aus der Phasenverschiebung
und den Amplituden berechnet wird.
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