Characterization of polymer composite diaphragm materials for acoustic applications with the Impulse Excitation Technique

Abstract

[EN] Diaphragm materials for accurate sound reproduction in electrodynamic speakers have been a central research topic since the loudspeakers were created. Nowadays, with the new improvements in designs, manufacturing, and engineering, composite materials are used to outperform traditional materials and improve acoustic radiation. Therefore, assessing their mechanical and acoustic properties is essential to prove their advantages and make good product development and manufacturing decisions. This work is embedded in the context of composite materials and the main mechanical properties directly responsible for their performance, such as the bending modulus or the loss factor. The main goal is to be able to measure such properties with an experimental setup relying on the impulse excitation technique and the free vibrations of a cantilever beam concept, which is described and compared to other existing setups. The setup is proven to be valid for testing specimens with low thicknesses and already provides results with less than a 10% difference compared to the Klippel MPM setup. Furthermore, as dealing with layered composite materials often involves using viscoelastic layers, the mechanical properties of these materials are believed to vary depending on the frequency of excitation. Thus, an additional step is taken to measure the dependency of the aforementioned mechanical properties on the frequency of excitation, as the acoustic application is always targeted. The development of this experimental technique is an ongoing work, only partially validated in this work. However, its problems are pointed out in the discussion section with a proposal for further improvements to the system and other possible techniques to measure these properties. In the course of the experimental section, and as new testing setups are developed, COMSOL Multiphysics software package is used to prove the concepts before and after the setups are built, having a virtual equivalent model of the physical device which allows further improvement of these setups as well as comparisons and validations. To sum up, this master’s thesis has led to new ideas for future work on the characterization of thin composite materials and already implements a setup that provides promising results.

[ES] Los materiales de diafragma para una reproducción precisa del sonido en altavoces electrodinámicos han sido un tema central de investigación desde que se crearon los altavoces. Hoy en día, con las nuevas mejoras en diseño, fabricación e ingeniería, los materiales compuestos se utilizan para superar a los materiales tradicionales y mejorar la radiación acústica. Por tanto, evaluar sus propiedades mecánicas y acústicas es fundamental para demostrar sus ventajas y tomar buenas decisiones de desarrollo y fabricación de productos. Este trabajo se inserta en el contexto de los materiales compuestos y las principales propiedades mecánicas directamente responsables de su comportamiento, como el módulo de flexión o el factor de pérdida. El objetivo principal es poder medir dichas propiedades con una configuración experimental basada en la técnica de excitación por impulsos y las vibraciones libres de un concepto de viga en voladizo, que se describe y compara con otras configuraciones existentes. La configuración ha demostrado ser válida para probar muestras con espesores bajos y ya proporciona resultados con menos del 10% de diferencia en comparación con la configuración Klippel MPM. Además, como trabajar con materiales compuestos en capas implica a menudo el uso de capas viscoelásticas, se cree que las propiedades mecánicas de estos materiales varían dependiendo de la frecuencia de excitación. Por lo tanto, se da un paso adicional para medir la dependencia de las propiedades mecánicas antes mencionadas de la frecuencia de excitación, ya que siempre se busca la aplicación acústica. El desarrollo de esta técnica experimental es un trabajo en curso, validado sólo parcialmente en este trabajo. Sin embargo, sus problemas se señalan en la sección de discusión con una propuesta para futuras mejoras al sistema y otras posibles técnicas para medir estas propiedades. En el transcurso de la sección experimental, y a medida que se desarrollan nuevas configuraciones de prueba, se utiliza el paquete de software COMSOL Multiphysics para probar los conceptos antes y después de construir las configuraciones, teniendo un modelo virtual equivalente del dispositivo físico que permite mejorar aún más estas configuraciones. así como comparaciones y validaciones.