مهندسی ساخت و تولید ایران

مهندسی ساخت و تولید ایران

اندازه‌گیری ضرایب تضعیف امواج فراصوتی طولی و عرضی در مواد پلیمری با استفاده از پراکندگی آکوستیک

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان
1 گروه مهندسی مکانیک، دانشگاه صنعتی خواجه‌نصیرالدین طوسی، تهران، ایران
2 گروه فیزیک پزشکی، دانشگاه ویسکانسین-مدیسن، مدیسن، آمریکا
چکیده
این مقاله به بررسی ضرایب تضعیف در استوانه‌های پلیمری ABS با بهره‌گیری از یک روش‌ پیشرفتۀ فراصوتی که در آن از حل یک مسئلۀ معکوس پراکندگی امواج آکوستیک استفاده می‌شود، می‌پردازد. این روشِ منحصربه‌فرد امکان اندازه‌گیری همزمان سرعت‌های طولی و عرضی و همچنین ضرایب تضعیف طولی و عرضی را تنها با یک آزمایش فراهم می‌کند. برای‌این‌منظور، از یک کاوند فراصوتی غوطه‌وری با فرکانس مرکزی 1 مگاهرتز و قطر 7/12 میلی‌متر استفاده و تحلیل داده‌ها با استفاده از روش‌های دیکانولوشن و الگوریتم ژنتیک انجام می‌شود. با انجام آزمایش‌های لازم و حل مسئلۀ معکوس، ضرایب تضعیف امواج طولی و عرضی رشته‌های پلیمری ABS به‌ترتیب 02015/0 ka و 0236/0 ka نپر به‌دست آمده و این مقادیر با نتایج آزمون فراصوتی بازتابی بر روی میلۀ ABS با قطر 25 میلی‌متر مقایسه شده است. نتایج به‌دست‌آمده خطای 9/9 درصد برای ضریب تضعیف امواج طولی و 16 درصد برای ضریب تضعیف امواج عرضی را نشان می‌دهد. تفاوت نتایج روش پیشنهادی و آزمون فراصوتی بازتابی می‌تواند ناشی از ویژگی‌های ساختاری مواد، فرکانس مرکزی کاوند و افزایش پراکندگی در قطرهای بزرگ‌تر باشد. روش پیشنهادی می‌تواند برای بهبود فرایندهای تولید و کیفیت محصولات در صنایع مختلف، ازجمله خودروسازی، هوافضا و تجهیزات پزشکی به‌کار رود.
کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله English

Measurement of attenuation coefficients of longitudinal and transverse ultrasonic waves in polymer materials using acoustic scattering

نویسندگان English

Vajihehsadat Sajadi 1
Farhang Honarvar 1
Mohammadreza Kari 2
1 Department of Mechanical Engineering, K. N. Toosi University of Technology, Tehran, Iran
2 Department of Medical Physics, University of Wisconsin-Madison, Madison,
چکیده English

This paper investigates the attenuation coefficients of ABS polymer cylinders using an advanced ultrasonic method based on solving the inverse problem of acoustic wave scattering. The method allows for the simultaneous measurement of both longitudinal and transverse wave velocities, as well as their respective attenuation coefficients, in a single experiment. An immersion ultrasonic transducer with a center frequency of 1 MHz and a diameter of 12.7 mm was employed, and the data were analyzed using deconvolution techniques and a genetic algorithm. The longitudinal and transverse wave attenuation coefficients of ABS polymer filaments were found to be 0.02015ka and 0.0236ka nepers, respectively. These results were compared with those obtained from a pulse-echo ultrasonic test on an ABS rod with a 25 mm diameter, showing an error margin of 9.9% for the longitudinal attenuation coefficient and 16% for the transverse attenuation coefficient. The observed discrepancies between the proposed method and the pulse-echo test likely arise from differences in material structure, transducer center frequency, and increased scattering in larger diameter rods. This method holds potential for improving production processes and product quality in industries such as automotive, aerospace, and medical.

کلیدواژه‌ها English

Attenuation Coefficient
Polymer
Acoustic Scattering
Inverse Problem
Non-Destructive Ultrasonic Testing
[1] Biwa S, Idekoba S, Ohno N. Wave attenuation in particulate polymer composites: independent scattering/absorption analysis and comparison to measurements. Mechanics of materials. 2002 Oct 1;34(10):671-82. doi: 10.1016/S0167-6636(02)00167-9
[2] Biwa S, Watanabe Y, Ohno N. Analysis of wave attenuation in unidirectional viscoelastic composites by a differential scheme. Composites science and technology. 2003 Feb 1;63(2):237-47. doi: 10.1016/S0266-3538(02)00202-6
[3] Mitri FG, Zine El Abiddine EA, Chapelon JY. Acoustic backscattering form-function of absorbing cylinder targets. Journal of the Acoustical Society of America. 2004;115(4):1411-3. doi: 10.1121/1.1649332
[4] Lerch TP, Cepel R, Neal SP. Attenuation coefficient estimation using experimental diffraction corrections with multiple interface reflections. Ultrasonics. 2006 Jan 1;44(1):83-92. doi: 10.1016/j.ultras.2005.07.003 
[5] Mažeika L, Šliteris R, Vladišauskas A. Measurement of velocity and attenuation for ultrasonic longitudinal waves in the polyethylene samples. Ultragarsas/Ultrasound. 2010 Dec 16;65(4):12-5.
[6] Pylaev AE, Kostikova EA, Yurkov AL, Kalugin DI, Malakho AP, Avdeev VV, Lepin VN, Oktyabr’skaya LV, Minchuk SV. Velocity and attenuation of acoustic waves in polymers and polymer composites. Polymer Science, Series D. 2018 Jul;11:272-6. doi: 10.1134/S1995421218030152 
[7] Kulkarni SS, Tabarraei A, Ghag PP. A finite element approach for study of wave attenuation characteristics of epoxy polymer composite. InASME International Mechanical Engineering Congress and Exposition 2018 Nov 9 (Vol. 52149, p. V009T12A042). American Society of Mechanical Engineers. doi: 10.1115/IMECE2018-87873  
[8] Liu Z, Oswald J, Belytschko T. XFEM modeling of ultrasonic wave propagation in polymer matrix particulate/fibrous composites. Wave Motion. 2013 Apr 1;50(3):389-401. doi: 10.1016/j.wavemoti.2012.10.007
[9] Karabutov AA, Podymova NB, Sokolovskaya YG. Local Kramers–Kronig relations between the attenuation coefficient and phase velocity of longitudinal ultrasonic waves in polymer composites. Acoustical Physics. 2019 Mar;65:158-64. doi: 10.1134/S1063771019020052 
[10] Quintana JL, Redmann A, Capote GA, Pérez-Irizarry A, Bechara A, Osswald TA, Lakes R. Viscoelastic properties of fused filament fabrication parts. Additive Manufacturing. 2019 Aug 1;28:704-10.  doi: 10.1016/j.addma.2019.06.003
[11] Ono K. A comprehensive report on ultrasonic attenuation of engineering materials, including metals, ceramics, polymers, fiber-reinforced composites, wood, and rocks. Applied Sciences. 2020 Mar 25;10(7):2230. doi: 10.3390/app10072230 
[12] Ono K. Dynamic viscosity and transverse ultrasonic attenuation of engineering materials. Applied Sciences. 2020 Jul 30;10(15):5265. doi: 10.3390/app10155265
[13] Antoniou A, Evripidou N, Giannakou M, Constantinides G, Damianou C. Acoustical properties of 3D printed thermoplastics. The Journal of the Acoustical Society of America. 2021 Apr 1;149(4):2854-64. doi: 10.1121/10.0004772 
[14] Ma D, Gao R, Li M, Qiu J. Mechanical and medical imaging properties of 3D‐printed materials as tissue equivalent materials. Journal of Applied Clinical Medical Physics. 2022 Feb;23(2):e13495. doi: 10.1002/acm2.13495 
[15] Zaharia SM, Pop MA, Cosnita M, Croitoru C, Matei S, Spîrchez C. Sound Absorption Performance and Mechanical Properties of the 3D-Printed Bio-Degradable Panels. Polymers. 2023 Sep 7;15(18):3695. doi: 10.3390/polym15183695
[16] Matei S, Pop MA, Zaharia SM, Coșniță M, Croitoru C, Spîrchez C, Cazan C. Investigation into the Acoustic Properties of Polylactic Acid Sound-Absorbing Panels Manufactured by 3D Printing Technology: The Influence of Nozzle Diameters and Internal Configurations. Materials. 2024 Jan 25;17(3):580. doi: 10.3390/ma17030580
[17] Bagheri-Bami A, Honarvar F. Determination of the type of anisotropy and stiffness tensor in additive manufacturing polymer components by using ultrasonic waves. Iranian Journal of Manufacturing Engineering. 2022 Aug 23;9(6):36-48. doi: 10.22034/IJME.2022.160940 [In Persian]
[18] Gholizadeh Roshan A, Zolfaghari A, Shakeri M. Investigation of physical and mechanical properties of 3D printed parts by using of ABS plastic filaments filled by alumina. Iranian Journal of Manufacturing Engineering. 2020 Jun 21;7(4):1-9. [In Persian]
[19] Honarvar F, Enjilela E. Resonance acoustic spectroscopy. Handbook of Applied Solid State Spectroscopy. 2006:351-409. doi: 10.1007/0-387-37590-2_8 
[20] Flax L, Dragonette LR, Überall H. Theory of elastic resonance excitation by sound scattering. The Journal of the Acoustical Society of America. 1978 Mar 1;63(3):723-31. doi: 10.1121/1.381780 
[21] Honarvar F. Nondestructive Evaluation of Cylindrical Components by Resonance Acoustic Spectroscopy [dissertation]. Canada: University of Toronto, 1997.
[22] Vogt RH, Flax L, Dragonette LR, Neubauer WG. Monostatic reflection of a plane wave from an absorbing sphere. The Journal of the Acoustical Society of America. 1975 Mar 1;57(3):558-61. doi: 10.1121/1.380483 
[23] Maze G, Taconet B, Ripoche J. Influence des ondes de “galerie a echo” sur la diffusion d'une onde ultrasonore plane par un cylindre. Physics letters A. 1981 Aug 10;84(6):309-12. doi: 10.1016/0375-9601(81)90768-4
[24] Sajadi V, Honarvar F, Kari M. Utilizing the derivative of unwrapped phase in ultrasonic nondestructive evaluation of elastic properties of polymer filaments. The Journal of the Acoustical Society of America. 2024 Feb 1;155(2):1391-405. doi: 10.1121/10.0024892 
[25] Veksler ND. Resonance acoustic spectroscopy. Springer Science & Business Media; 2012 Dec 6.
[26] Numrich SK, Howell WE, Subrahmanyam JV, Überall H. Acoustic ringing response of the individual resonances of an elastic cylinder. The Journal of the Acoustical Society of America. 1986 Oct 1;80(4):1161-9. doi: 10.1121/1.393806 
[27] Kari M, Honarvar F. Characterization of a cylindrical rod by inversion of acoustic scattering data. Ultrasonics. 2014 Aug 1;54(6):1559-67. doi: 10.1016/j.ultras.2014.04.006 
[28] Rose JL. Ultrasonic waves in solid media. New York: Cambridge University Press; 1999.