elastic characterization of porous materials by surface and guided acoustic wave propagation

227 Pages·2011·12.29 MB·English

by  Jan Descheemaeker

ELASTIC CHARACTERIZATION OF POROUS
MATERIALS BY SURFACE AND GUIDED
ACOUSTIC WAVE PROPAGATION ANALYSIS
Promotor : Proefschrift voorgedragen tot
Prof. dr. C. Glorieux het behalen van het doctoraat
in de natuurkunde
door
Jan DESCHEEMAEKER
2011

ELASTIC CHARACTERIZATION OF POROUS
MATERIALS BY SURFACE AND GUIDED
ACOUSTIC WAVE PROPAGATION ANALYSIS
Jury: Proefschrift voorgedragen tot
Prof.dr.K.VanDenAbeele het behalen van het doctoraat
Prof.dr.C.Glorieux in de natuurkunde
Prof.dr.P.Leclaire
door
Prof.dr.ir.J.Delcour
Jan DESCHEEMAEKER
Prof.dr.C.VanHaesendonck
Prof.dr.J.P.Groby
2011
(cid:13)c Katholieke Universiteit Leuven
Faculteit Natuurkunde en sterrenkunde
Celestijnenlaan 200D, B-3001 Leuven (Heverlee), Belgium
Alle rechten voorbehouden. Niets uit deze uitgave mag worden ver-
menigvuldigd en/of openbaar gemaakt worden door middel van druk,
fotokopie, microfilm, elektronisch of op welke andere wijze ook zonder
voorafgaande schriftelijke toestemming van de uitgever.
All rights reserved. No part of this publication may be reproduced in
any form, by print, photoprint, microfilm or any other means without
written permission from the publisher.
D/2011/10.705/90
ISBN 978-90-8649-472-9
Voorwoord
Na vier jaar onderzoekswerk zijn er een aantal mensen die ik zou willen
bedanken voor de steun en hulp die ik van hen gekregen heb.
Om te beginnen zou ik Walter willen bedanken. Walter, je hebt een
ongelofelijke leegte nagelaten in de afdeling die onmogelijk kan worden
opgevuld. Je kennis en goed humeur worden enorm gemist. Ik wil
je bedanken voor de kans die je me gegeven hebt om me te bewijzen
in het onderzoekswerk en voor de kennis en expertise die je me hebt
doorgegeven. Deze thesis zou ik dan ook aan jou willen opdragen.
Ik zou ook mijn nieuwe promotor Christ willen bedanken om de taak
vanWalterovertenemen. Bedanktvoorhetgrondigenazichtvanmijn
thesis en artikels.
I would like to thank all the members of the jury for being part of the
jury and the evaluation of this work.
Also special thanks to Jean-Philippe Groby, Laurens Boeckx and
Philippe Leclaire who invested themselves considerably in the present
work.
Ik zou alle leden van ATF willen bedanken voor alle hulp en aange-
name koffie pauzes. In het bijzonder zou ik Gert willen bedanken voor
de plezante sfeer op het bureau en de steun de voorbije jaren. Robbe,
bedankt voor de hulp en steun die ik tijdens mijn studies en doctoraat
van hem heb gehad.
Ik zou al mijn vrienden willen bedanken voor de leuke gebeurtenissen
diewe hebbenbeleefd en de steun de voorbije jaren. Mijn fietsvrienden
zou ik willen bedanken voor de sportieve mommenten de voorbije jaren
en deze die nog moeten komen.
Tot slot zou ik vooral mijn familie en mijn ouders willen bedanken. Zij
hebben me altijd gesteund in alles wat ik doe en hebben me de kans
gegeven te bereiken wat ik wil.
I
II
Abstract
Porous materials are biphasic media, which are made of solid and fluid
phases. At the microscopic scale, the arrangement of both phases
leads to complex heterogeneous micro structures, from which inter-
esting properties arise. The materials studied in this thesis are all soft
porous materials. These are foams, which are used in a plenitude of
applications of acoustics and vibro-acoustics.
Sound absorbing materials are characterized by a wide range of ma-
terial parameters of which the elastic coefficients form an important
subset. The stiffness of these materials can vary from 104 to 106 Pa.
These materials can also be anisotropic, viscoelastic and the elasticity
can exhibit a frequency dependence. In the past, quasi-static or reso-
nant techniques were used to recover the elastic parameters. The main
problem with these techniques is that they can only provide informa-
tion on the elastic properties of porous materials at low frequencies
(until a few hundred Hz). The main goal of this thesis is to extend
this frequency range towards higher frequencies. In order to achieve
this, already existing measurement techniques making use of surface
and guided waves are further developed and applied to new configura-
tions. A plate of a porous material is coated with an elastic material
in order to excite more efficiently the elastic frame and to extend the
information of the elastic properties towards higher frequencies. Also
porouscylinderswithanelasticcoatingarestudied. Thisconfiguration
is relevant for monitoring the elastic parameters of a porous material
during its rising in a cylindrical cup.
III
IV
Beknopte samenvatting
Poreuzematerialenbestaanuit2delen: eenelastischframemetopenin-
gen, de pori¨en, welke zijn verzadigd met een fluidum. De interactie
tussenbeidefasenleidttoteenaantalinteressanteeigenschappen. Deze
materialen vinden heel wat toepassingen in akoestiek en geluidsabsorp-
tie.
De elastische parameters zijn e´e´n van de belangrijke eigenschappen die
hetgeluidsabsorberendgedragvanporeuzematerialenbepalen. Desti-
jfheid van deze materialen kan varie¨ren van 104 tot 106 Pa. Deze mate-
rialen kunnen anisotroop en visco-elastisch zijn. Ook kan de elasticiteit
afhangen van de frequentie. In het verleden werden quasi-statische
meettechniekengebruikt. Nadeelvandezemeetmethodenwasdatenkel
bij lage frequenties, een paar honderd Hz, informatie over het elastisch
gedrag vanporeuze materialenkan worden bekomen. Daarom wordtin
deze thesis gebruik gemaakt van reeds bestaande meettechnieken die
gebruik maken van oppervlakte en geleide golven. Deze meetmetho-
den zullen verder worden ontwikkeld en toegepast in nieuwe configu-
raties. Zo zal bijvoorbeeld een poreuze plaat voorzien worden van een
elastische coating om zo het frame efficienter te kunnen exciteren en
informatie te bekomen over de elastische eigenschappen in een hoger
frequentie gebied. Verder wordt de configuratie van een poreuze cilin-
der met een elastische coating bestudeerd. Dit is in eerste stap in het
volgenvandeevolutievandeelastischeeigenschappentijdenshetrijzen
van een schuim in een cilinder.
V
VI