[논문]스피커를 이용한 ABS와 PP의 손실계수 및 영률 측정

전병수; 정성수; 이종규

doi:10.5050/ksnve.2014.24.9.724

Abstract ▼ AI-Helper

It is essential to control noise and vibration in various industrial fields. In the automobile industry, various plastics have been developed and replaced metallic materials in order to reduce mass and vibration effectively. In this study, we measured and analyzed the Young's moduli and the loss fac...

It is essential to control noise and vibration in various industrial fields. In the automobile industry, various plastics have been developed and replaced metallic materials in order to reduce mass and vibration effectively. In this study, we measured and analyzed the Young's moduli and the loss factors of Acrylonitrile butadiene styrene(ABS) and Polypropylene(PP). In order to solve the fundamental error to determine the two quantities, a loudspeaker was used instead of conventional electromagnetic devices to generate bending motion to the specimens and a laser vibrometer was also used in detection of vibration signal of the specimen. The measured Young's moduli and loss factors of the ABS specimen were nearly constant as the temperature($-10{\sim}60^{\circ}C$) was increased. The loss factor of PP specimen showed peak value at $20^{\circ}C$ and it means that there is glass transition for the PP specimen. Young's modulus of PP specimen was linearly decreased as the temperature was increased.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

이 연구에서는 현재 자동차에 많이 사용되고 있는 플라스틱 소재인 ABS와 PP의 손실계수와 영률을 표준 측정방법으로 평가하였다. 시편에 진동을 가진하는 방법으로 스피커를 사용함으로써 기존의 전자기 장치로 인한 근본적인 단점을 해결하였으며, 시편에서의 진동 측정은 레이저 진동계를 사용함으로써 신호대 잡음비를 개선하였다.

제안 방법

재료의 손실계수와 영률은 가진하는 주파수와 온도에 따라 변하지만⁽⁴⁾ 대부분은 특정 주파수와 온도에서의 값만을 제공 하는 경우가 많기 때문에 실제 적용하는데 한계를 가지고 있다. 따라서 이 연구에서는 실제 환경에서도 사용이 가능하도록 온도 조절장치를 이용하여 -10 ℃부터 60 ℃까지 온도를 변화시키면서 측정 하였다.
006 g)을 부착하고 레이저 진동계(Polytec, PDV100)를 사용 하여 반사판에서 되돌아오는 진동 신호를 측정하였다. 스피커에 가진되는 입력신호 대 레이저 진동계로부터 측정되는 출력신호의 비인 주파수 응답곡선을 구하였으며, 이 때 신호대 잡음비를 향상 시키기 위해 주파수 응답신호를 1,000회 평균하였다. 한편, 시편의 온도는 항온조(fisher scientific, 146E)를 사용 하여 -10 ℃에서 60 ℃까지 10 ℃씩 변화시켰다.
시편에 발생된 진동 신호를 레이저 빔으로 측정하기 위해 시편에 얇고 가벼운 반사판(질량 0.006 g)을 부착하고 레이저 진동계(Polytec, PDV100)를 사용 하여 반사판에서 되돌아오는 진동 신호를 측정하였다. 스피커에 가진되는 입력신호 대 레이저 진동계로부터 측정되는 출력신호의 비인 주파수 응답곡선을 구하였으며, 이 때 신호대 잡음비를 향상 시키기 위해 주파수 응답신호를 1,000회 평균하였다.
이 연구에서는 현재 자동차에 많이 사용되고 있는 플라스틱 소재인 ABS와 PP의 손실계수와 영률을 표준 측정방법으로 평가하였다. 시편에 진동을 가진하는 방법으로 스피커를 사용함으로써 기존의 전자기 장치로 인한 근본적인 단점을 해결하였으며, 시편에서의 진동 측정은 레이저 진동계를 사용함으로써 신호대 잡음비를 개선하였다. 재료의 손실계수와 영률은 가진하는 주파수와 온도에 따라 변하지만⁽⁴⁾ 대부분은 특정 주파수와 온도에서의 값만을 제공 하는 경우가 많기 때문에 실제 적용하는데 한계를 가지고 있다.
이 연구에서는 비철재료의 영률과 손실계수를 측정함에 있어 스피커를 이용하는 음향학적 방법을 적용하여 기존의 전자기 가진방법이 갖는 부가질량 효과로 인한 문제점을 해결하였다. 또한 레이저 진동계를 사용한 비접촉식 방법으로 시편을 진동을 측정함으로써 측정의 정확도를 향상시켰다.

대상 데이터

시편은 현재 자동차에 많이 사용되는 있는 ABS (체적밀도 1,065 kg/m³, 길이 228 mm, 두께 2.97 mm, 너비 9.80 mm, grade: HGX 4500)와 PP(체적 밀도 1,285 kg/m³, 길이 228 mm, 두께 2.84 mm, 너비 9.81 mm, grade: GP 3400)를 선택하였다. Fig.

이론/모형

또한 레이저 진동계를 사용한 비접촉식 방법으로 시편을 진동을 측정함으로써 측정의 정확도를 향상시켰다. 비철재료로는 현재 자동차 소재로서 많이 사용되고 있는 ABS 와 PP 시편을 선택하고 -10 ℃에서 60 ℃까지 온도를 변화시키면서 손실계수와 영률을 ASTM E 756표준 측정방법으로 구하였다. 측정결과 ABS 시편은 온도증가에 따라 손실계수가 일정한 것에 반해, PP 시편은 20 ℃에서 손실계수의 피크값이 형성되는 유리-상전이가 발생함을 알 수 있었다.
보의 굽힘 운동에는 압축과 전단변형 힘이 작용 하게 된다. 시편의 길이에 비해 두께가 충분히 작은 경우(1/10 이상)의 보의 운동은 Euler-Bernoulli보 이론으로 그렇지 않은 경우는 전단변형과 회전 관성을 포함하는 Timoshenko보 이론을 적용해야 한다. Euler-Bernoulli보의 경우, 영률 E, 체적밀도 ρ 그리고 횡단면에 대한 회전반경(radius of gyration) 인자 #를 갖는 계의 굽힘 운동에 대한 방정식은 길이방향의 좌표를 x축 그리고 굽힘 운동방향의 좌표를 y축으로 설정할 경우 다음과 같이 표현할 수 있다.

성능/효과

측정결과 ABS 시편은 온도증가에 따라 손실계수가 일정한 것에 반해, PP 시편은 20 ℃에서 손실계수의 피크값이 형성되는 유리-상전이가 발생함을 알 수 있었다. 영률은 ABS는 온도증가에 따라 일정하였지만 PP는 감소하는 특성을 보였다. 이 연구에서 적용한 스피커를 사용하여 시편을 가진하는 방법은 모든 비철 소재에 적용이 가능하기 때문에 활용성이 클 것으로 기대된다.
비철재료로는 현재 자동차 소재로서 많이 사용되고 있는 ABS 와 PP 시편을 선택하고 -10 ℃에서 60 ℃까지 온도를 변화시키면서 손실계수와 영률을 ASTM E 756표준 측정방법으로 구하였다. 측정결과 ABS 시편은 온도증가에 따라 손실계수가 일정한 것에 반해, PP 시편은 20 ℃에서 손실계수의 피크값이 형성되는 유리-상전이가 발생함을 알 수 있었다. 영률은 ABS는 온도증가에 따라 일정하였지만 PP는 감소하는 특성을 보였다.

후속연구

이 연구에서 적용한 스피커를 사용하여 시편을 가진하는 방법은 모든 비철 소재에 적용이 가능하기 때문에 활용성이 클 것으로 기대된다. 또한 온도를 변화시키면서 손실계수와 영률을 측정하였기 때문에 이들 자료들은 실제 환경에서 사용이 가능할 것으로 사료된다.
영률은 ABS는 온도증가에 따라 일정하였지만 PP는 감소하는 특성을 보였다. 이 연구에서 적용한 스피커를 사용하여 시편을 가진하는 방법은 모든 비철 소재에 적용이 가능하기 때문에 활용성이 클 것으로 기대된다. 또한 온도를 변화시키면서 손실계수와 영률을 측정하였기 때문에 이들 자료들은 실제 환경에서 사용이 가능할 것으로 사료된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	손실계수와 영률을 결정하기 위해 어떠한 방법이 사용되는가?	소재의 진동 감쇠 특성 즉, 댐핑 효과를 예측하고 적절하게 활용하기 위해서는 그 소재의 손실계수와 영률 등의 기본적인 물리량을 알아야만 한다. 이들 두 양을 실험적 결정하는 방법으로는 ASTM E 756(1)과 ISO 6721-3(2) 등의 표준 측 정방법 등 다양한 방법들이 사용되고 있다(3). 표준 측정법에서는 시편에 휨(bending) 진동을 가진 시키는 방법과 시편에 발생된 진동을 측정하는 방법 모두 비접촉식을 권장하고 있다.
	표준 측정법에서는 무엇을 권장하고 있는가?	이들 두 양을 실험적 결정하는 방법으로는 ASTM E 756(1)과 ISO 6721-3(2) 등의 표준 측 정방법 등 다양한 방법들이 사용되고 있다(3). 표준 측정법에서는 시편에 휨(bending) 진동을 가진 시키는 방법과 시편에 발생된 진동을 측정하는 방법 모두 비접촉식을 권장하고 있다.
	소재의 진동 감쇠 특성 즉, 댐핑 효과를 예측하고 활용하기 위해서 어떠한 것이 필요한가?	특히, 자동차 산업의 경우 연비 개선과 소음진동 감쇠를 위해 금속 소재 대신 상대적으로 가벼운 플라스틱 소재의 비중이 점차 증가하고 있다. 소재의 진동 감쇠 특성 즉, 댐핑 효과를 예측하고 적절하게 활용하기 위해서는 그 소재의 손실계수와 영률 등의 기본적인 물리량을 알아야만 한다. 이들 두 양을 실험적 결정하는 방법으로는 ASTM E 756(1)과 ISO 6721-3(2) 등의 표준 측 정방법 등 다양한 방법들이 사용되고 있다(3).

참고문헌 (8)

ASTM E 756, 1998, Standard Test Method for measuring Vibration Damping Properties of Materials.
ISO 6721-3, 1994, Plastics-Determination of dynamic mechanical properties - Part 3: Flexural vibration - Resonance-curve method.
Shin, S. H., Lee, Y. B., Jung, S. S. and Lee, D. H., 2004, Comparison of Test Methods for Vibration Damping Properties, Transactions of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering, Vol. 14, No. 9, pp. 852-860.

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Shin, S. H., Jung, S. S., Lee, Y. B., Lee, D. H., and Nam, H. D., 2005, Damping Properties of Plastics with Temperature Variation, Transactions of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering, Vol. 15, No. 2, pp. 213-218.

원문보기 상세보기
Jung, S. S., Kim, Y. T., Lee, Y. B., Shin, S. H., Kim, D.-W. and Kim, H. C., 2006, Measurement of the Resonance Frequency, the Loss Factor, and the Dynamic Young's Modulus in Structural Steel and Polycarbonate by Using an Acoustic Velocity Sensor, Journal of the Korean Physical Society, Vol. 49, No. 6, pp. 1961-1966.

상세보기
Rao, M. D., 2003, Recent Applications fo Viscoelastic Damping for Noise Control in Automobiles and Commercial Airplanes, Journal of Sound and Vibration, Vol. 257, No. 3, pp. 457-474.
Nashif, A. D., Jones, D. I. G. and Henderson, J. P., 1985, Vibration Damping(Wiley, New York).
Gnatowski, A., Wawrzynlak, J. and Jaruga, T., 2010, Performance Properties and Structural of Electrochemically Aged Polypropylene with a Dye Addition, Archives of Materials Science and Engineering, Vol. 41, No. 1, pp. 37-44.

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