Characterization and optimization of polymer membranes for acoustic applications

Titel in Übersetzung: Charakterisierung und Optimierung von Polymermembranen für akustische Anwendungen

Gilbert Knapp

Publikation: Thesis / Studienabschlussarbeiten und HabilitationsschriftenDissertation

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Abstract

Der Aufstieg von Smartphones und ihre geringe Dicke hat zu hohen zyklischen Lasten in den Polymermembranen derer Miniaturlautsprechern geführt, welche zwei Hauptanforderungen erfüllen. Eine adäquate Dämpfung gewährleistet eine gute Klangqualität und dämpft die Auslenkung im Resonanzfall. Eine hohe Risszähigkeit garantiert eine lange Lebensdauer. Die Kenntnis dieser Parameter ist für die Lautsprecherkonstruktion unabdingbar. Derzeitige Methoden sind für eine Materialcharakterisierung bei anwendungsrelevanten Bedingungen nicht geeignet, darum werden in der vorliegenden Arbeit neue Methoden vorgestellt. Monotone bruchmechanische Versuche zeigten bei Lautsprecherfolien spröde Versagensmuster, wodurch linear elastische bruchmechanische (LEBM) Methoden als anwendbar schienen. Diese offenbarten keine Korrelation zu Lausprecherversuchen, daher wurde ein zyklischer Ermüdungsversuch unter Zugbeanspruchung bei 100 Hz aufgebaut, basierend auf Wöhler- und Risskinetikversuchen (fatigue crack growth tests, FCG). Die Anwendbarkeit von LEBM für zyklische Versuche an Lautsprecherfolien wurde mittels Rissähnlichkeitsprinzip und doppelt gekerbten (double edge notched tension, DENT) und zentral gekerbten (center cracked tension, CCT) Zugproben überprüft. Folgend wurden Risskinetikkurven von unterschiedlichen 4.5 µm bis 10 µm dicken Polymerfolien verglichen. Für Polyarylat (PAR), Polyethersulfon (PESU) und Polyethylentherephthalat (PET) wurde die Anwendbarkeit des Rissähnlichkeitsprinzips nachgewiesen. Weiters wurden Effekte der Temperatur, des Mehrlagenaufbaus und der Anisotropie auf das Versagensverhalten der Membranen untersucht. Bei temperaturabhängigen Versuchen mit PET Folien wurde ein Ermüdungsfestigkeitsmaximum bei 60 °C und somit unterhalb deren Glasübergang festgestellt. Weiters offenbarten Delaminationsprozesse im Ermüdungsverhalten von Mehrschichtlaminaten für Miniaturlautsprecher nur eine untergeordnete Rolle. Abschließend wurde das anisotrope Versagensverhalten von extrudierten Folien untersucht, wo die Molekülausrichtung das Risswachstum in eine Richtung mit niedrigem Risswachstumswiederstand ablenkte. Zur Dämpfungscharakterisierung von Lautsprecherfolien wurden zwei Messmethoden erstellt, beide basierend auf der Methode der dynamisch mechanischen Analyse (DMA). Der „Speaker“ Mode wurde der Sickengeometrie von Miniaturlautsprechern nachempfunden. Aus den Laminaten wurden Sicken symmetrisch zwischen der Antriebswelle und den beiden äußeren Einspannungen ausgeformt. Dadurch waren zusätzlich zur Charakterisierung des Dämpfungsvermögens der Dämpfungsschichten, auch Effekte durch die Steifigkeitsverhältnisse zwischen den weichen Dämpfungs- und steifen Außenschichten beschreibbar. Die zweite Methode im DMA Schermodus wurde für die Charakterisierung von constrained layer damping (CLD) Laminaten optimiert. Da beide Methoden hinsichtlich der erreichbaren maximalen Prüffrequenz eingeschränkt sind, wurde das Zeit-Temperatur-Superpositionsprinzip angewandt, um Extrapolationen bis zu anwendungsrelevanten Frequenzen von bis zu 1000 Hz durchzuführen. Weiters wurde die Auswertung mittels des im anwendungsrelevanten Temperaturbereich gemittelten integralen Durchschnitts des Verlustfaktors tA eingeführt. Dieser erleichterte die vergleichende Dämpfungsbewertung von Lautsprechlaminaten signifikant. Die Anwendbarkeit des DMA „Speaker“ Modes wurde durch Tests mit Monofolien und free layer damping (FLD) und constraint layer damping (CLD) Laminaten überprüft. In Übereinstimmung mit der Literatur zeigte das CLD Laminat das beste Dämpfungsverhalten, gefolgt vom FLD Laminat und der Monofolie. In einem weiteren Schritt wurde der Einfluss der steifen Außenschichten und auch des Adhäsionsverhaltens zwischen Außen- und Dämpfungsschichten in CLD Laminaten im DMA Schermodus untersucht. Abschließend wurde der Einfluss der Dicke der Dämpfungsschichten in CLD Laminaten im DMA Schermodus beschrieben.
Titel in ÜbersetzungCharakterisierung und Optimierung von Polymermembranen für akustische Anwendungen
OriginalspracheEnglisch
QualifikationDr.mont.
Betreuer/-in / Berater/-in
  • Friesenbichler, Walter, Beurteiler B (intern)
  • Pinter, Gerald Gerhard, Beurteiler A (intern)
  • Oreski, Gernot, Betreuer (intern)
PublikationsstatusVeröffentlicht - 2015

Bibliographische Notiz

gesperrt bis 26-05-2020

Schlagwörter

  • Miniaturlautsprecher
  • Dämpfung
  • Ermüdungsfestigkeit

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