Resonanz-Ultraschallspektroskopie
Resonanz-Ultraschallspektroskopie
Elastische Konstanten wie der E-Modul, die Poissonzahl oder die Komponenten des Elastizitätstensors sind von fundamentaler Bedeutung z.B. für industrielle Anwendungen und das Verständnis der Funktion biologischer Materialien. Diese Konstanten können zerstörungsfrei mit der Resonant Beam Technique (RBT) oder der Resonant Ultrasound Spectroscopy (RUS) gemessen werden. Bei diesen Methoden werden zuerst die Eigenfrequenzen der Probe experimentell bestimmt. Der zweite Schritt geht von einem Satz Elastischer Konstanten aus, die für das Probenmaterial typisch sind und passt (bzw. “fittet”) errechnete Eigenfrequenzen an die gemessen Eigenfrequenzen, indem die elastischen Konstanten geeignet verändert werden. Wenn eine ausreichende Übereinstimmung der gemessenen und der gerechneten Eigenfrequenzen erreicht werden kann, dann entsprechen die Elastischen Konstanten den Konstanten der Probe.
Anwendungsmöglichkeiten im Überblick
- Messung der elastischen Konstanten von isotropen Balken oder Zylindern, deren Länge ≥ 10 * Breite/Höhe/Durchmesser ist, mit der Resonant Beam Technique.
- Messung der elastischen Konstanten von isotropen und anisotropen Kugel, Quadern oder Zylindern, deren drei Dimensionen in einer ähnlichen Größenordnung sind, mit der Resonant Ultrasound Spectroscopy.
Geräteverantwortlicher
Leiter
Währinger Straße 38-42
1090
Wien
Raum: 3342
E-Mail
+43-1-4277-73802
Nutzung und Nutzungsgebühren
Der RBT/RUS Messplatz kann nicht autonom genutzt werden. Messungen sind nach Maßgabe der Verfügbarkeit des Geräteverantwortlichen möglich. Kontaktieren Sie diesen bitte, falls Sie Interesse an Messungen haben, um die Eignung der Proben für diese Methode abzuklären. Mögliche Proben müssen homogen und ausreichend präzise gefertigt sein um ihre Eigenschaften mit der Theorie abbilden zu können.
| Nutzergruppe | Messgebühr für die erste Probe eines Typs / jede weitere Probe |
|---|---|
| Fakultäten für Physik und Chemie | - |
| Vienna Life Science Instruments | 100 € / 50 € |
| Universitäre Nutzer | 200 € / 100 € |
| Nicht-Universitäre Nutzer | auf Anfrage |
Literatur
- RBT
- W. Lins, G. Kaindl, H. Peterlik, K. Kromp, A novel resonant beam technique to determine the elastic moduli in dependence on orientation and temperature up to 2000°C – doi: 10.1063/1.1149867
- RUS
- B. J. Zadler, J. H. L. Le Rousseau, J. A. Scales, M. L. Smith, Resonant Ultrasound Spectroscopy: theory and application – doi: 10.1111/j.1365-246X.2004.02093.x
- I. Ohno, Free Vibration of a Rectangular Parallelepiped Crystal and its Application to Determination of Elastic Constants of Orthorombic Crystals – doi: 10.4294/jpe1952.24.355
- H. H. Demarest, Cube‐Resonance Method to Determine the Elastic Constants of Solids – doi: 10.1121/1.1912415
- E. Mochizuki, Application of Group Theory to Free Oscillations of an Anisotropic Rectangular Parallelepiped – doi: 10.4294/jpe1952.35.159
Sind meine Proben für RUS oder RBT geeignet?
Da bei beiden Techniken gemessene Eigenfrequenzen mit gerechnete Eigenfrequenzen verglichen werden, müssen die Proben so ideal wie möglich sein. Das bedeutet, sie müssen homogen und mit geringer Toleranz gefertigt sein. Bestehten die Proben aus einem z.B. porösen Material, so müssen sie so groß im Vergleich zu Porosität sein, dass die Probe im Mittel wieder als Kontinuum repräsentiert werden kann.
Die Probenformen sind, wie schon oben erwähnt, durch die in der Theorie verfügbaren Formen beschränkt:
- RBT: Balken und Zylinder, deren Länge ≥ 10 * Breite/Höhe/Durchmesser ist, da die Theorie auf der Annahme einer langen Probe beruht.
- RUS: Quader und Zylinder, deren drei Dimensionen ähnliche Größenordnungen haben, und Kugeln
Die verfügbaren Theorien beschränken teilweise auch die mögliche Elastische Symmetrie:
- RBT: die grundlegende Theorie ist eindimensional und funktioniert nur bei isotropen Materialen gut. Anisostrope Proben sind theoretisch bis hin zu einer orthorombischen Symmetrie möglich, aber dann sind mehrere Proben notwendig, die in unterschiedlichen Richtungen aus dem Probenkörper herausgeschnitten wurden. Eine solche Auswertung ist auch sehr zeitintensiv.
- RUS: Die Theorie ist schon anisotrop. Es gilt jedoch: Je komplexer die elastische Symmetrie ist, desto perfekter muss die Probe sein und die ungefähren Elastischen Konstanten müssen schon vorher bekannt sein. Ein Fitten der gerechneten Eigenfrequenzen an die gemessenen Eigenfrequenzen ist ohne gute Startwerte ein hoffnungsloses Unterfangen.