[发明专利]粘弹材料动态模量的测试系统和方法

说明书

本发明公开了粘弹材料动态模量的测试系统及方法。本发明的测试系统测试控制系统、第一变温变压环境模拟装置、第二变温变压环境模拟装置、变温变压系统、振动测试系统、静压形变测试系统和材料参数反演模块，上述部件构成的测试系统能够对粘弹材料进行模拟实际温度、压力环境工况下，粘弹材料动态模量测试。本发明的装置避免接触式测量，能够仅用一个试样、一次测试可以获得其余所有动态力学参数，为粘弹材料声学性能设计提供准确参数输入，解决了声学材料声学性能设计中，实际温度、压力环境工况下，粘弹材料动态参数及不同参考温度下主曲线准确获取的问题。

技术领域

本发明涉及材料动态参数测试技术领域，尤其涉及粘弹材料动态力学参数测试，具体地说是粘弹材料动态模量的测试系统及方法。

背景技术

水声材料声学性能设计领域中，粘弹材料为应用最为广泛的功能材料，由于其实际使用环境静水温度、压力变化大，需要获得能模拟实际工况的准确材料动态力学参数才能进行有效的声学性能设计；现有粘弹材料动态参数测试装置和方法，按照激振方式分，可分为自由衰减法、强迫共振法、强迫非共振法和波方法四类，按照材料形变模式，可分为拉伸、压缩、扭转、剪切、弯曲等。国际标准化组织(ISO)推出了一系列相应标准，能满足日常工业生产和国民生活中粘弹材料动态参数测试的需要。

然而，对于水声材料，其使用频率范围宽，温域广，往往应用于高静水压极端环境条件，现有粘弹材料动态参数测试方法无法全覆盖其实际应用环境条件，要么受限于测试频率范围，要么受限于接触式传感器的温度、压力环境适应性，而且往往对粘弹材料样品有严格的形状、尺寸限值，一次测试一般仅能获得单一动态参数。例如，共振法测试材料动态力学参数发展得相当完善，但是，由于材料力学参数会随温度变化，从而引起共振频率的变化，只能在有限的几阶共振频率上测试材料参数，要想通过定温宽频测试结果来获得温度谱几乎不可能；又如强迫非共振法，典型测试设备是动态机械分析仪(DMA)，由于各种动态力学参数的获得需要选用不同的试样，而且测试过程中人为因素很难控制，如样品裁减、粘结、安装等环节很难保证一致，往往测试结果都有偏差，需要通过大量测试结果进行平均才能获得较稳定的结果，费时费力；波传播法一般分为声脉冲传播法和超声脉冲法，声脉冲法通过测试纵波声速计算杨氏模量，测试频率范围一般为 3kHz～10kHz，超声脉冲法通过测试纵波和剪切波速计算杨氏模量和剪切模量，测试频率范围一般为0.5M～5MHz，两种测试方法仅限于低阻尼材料测试，对于高阻尼材料，由于阻尼增大，声速测量精度急剧下降，不能获得准确的材料参数，另外，上述常用方法均难以实现高静压环境动态参数测试及参考温度下宽频域动态模量主曲线。

水声阻抗管法是建立声学参数和动态力学参数之间的定量关系，通过测量材料纵波声速和声衰减系数来反演力学参数，纵波声速和声衰减系数可以通过复反射系数以及表面声阻抗的测量结果计算得到，因此可实现高静压环境下杨氏模量测试。然而，对于复剪切模量测试，需要使用包含宏观腔体结构的样品，由于无法准确获取其静压形变信息，高静压条件下无法进行有效的剪切模量测试。另外，该方法不同模量需要不同结构样品，一种样品一次测试无法获得两个独立的弹性模量。

2008年国内曾申请一项专利(CN2007100544763，已失效)：一种静压力下提取材料动态力学参数的方法及装置，虽然能实现变温变压测量，但无法获取参考温度下材料参数宽频域主曲线以及准确静压形变有限元模型，国外曾有美国专利(US6320665)申请，但该方法无法获得静压力条件下材料动态力学参数。