Die bruchmechanischen Eigenschaften von Elastomerwerkstoffen zeigen eine deutliche Abhängigkeit von der Prüfkörpergeometrie. Endscheidenden Einfluss hat die Art der Beanspruchung, die der Belastung des realen Bauteils entsprechen sollte. In dieser Arbeit wird die Methode zur Analyse des dynamischen Risswachstums von Elastomeren im simultanen Tensile- und Pure-shear-Prüfmodus beschrieben. Die Methode, basierend auf der mechanischen Aufrüstung und Weiterentwicklung eines Tear and Fatigue Analyzers, stellt den Prüfmethoden übergreifende Feststellungen zu aussagekräftigen Kennwertdaten des Bruchverhaltens von Elastomeren vor. Die Schwerpunke der Arbeit wurden in zwei Hauptthemen unterteilt, wobei zuerst eine konstruktive Modifizierung des kommerziellen TFA vorgenommen wurde und anschließend die Untersuchungen zur Beschreibung der bruchmechanischen Eigenschaften von Elastomerwerkstoffen und dynamischer Beanspruchung mittels modifiziertem TFA durchgeführt wurden. Es wurde aus den Anforderungen an die quantitative, simultane Analyse von SENT- als auch Pure-shear-Prüfkörpern eine konstruktive Modifizierung des kommerziellen TFA vorgenommen. Insbesondere die Schwerpunkte der Modifizierung wurden der Verminderung des Einflusses der Prüfkörperhalterungsfestigkeit auf die Genauigkeit der Analyse und der Untersuchung des Resonanzbereiches des TFA gewidmet. Die hier dokumentierten Ergebnisse durch den modifizierten TFA haben deutlich das unterschiedliche Bruchverhalten in der Abhängigkeit von der Prüfkörpergeometrie nachgewiesen. Es wurden umfangreiche Untersuchungen zur Charakterisierung der Rissausbreitungsgeschwindigkeiten in Elastomeren in Abhängigkeit von der Prüfkörpergeometrie als auch von der Risslänge durchgeführt, wobei festgestellt wurde, dass die bruchmechanischen Eigenschaften nicht nur von der Risslänge, sondern auch signifikant von der Kerbgeometrie abhängen. Die Ergebnisse haben weiterhin gezeigt, dass ein großer Einfluss der Herstellungsparameter der Prüfkörper unter Berücksichtigung von Kautschukbasis und Kautschukmischungsrezeptur auf die bruchmechanischen Eigenschaften besteht. Die vorgestellte Methode zur Bestimmung der dynamisch-bruchmechanischen Eigenschaften von Elastomeren stellt zusammen mit der Berücksichtigung der Herstellungsparameter einen genauen Vergleich zwischen den experimentell ermittelten Prüfwerten unabhängig von der Prüfkörpergeometrie dar. / The mechanical properties of rubber materials can be shown to be a function of the geometry of the test specimen. The main affecting parameters are the loading conditions. The present work proposes a new fracture mechanical testing concept for determination of dynamic crack propagation of rubber materials. This concept implements a method of simultaneous tensile- and pure-shear-mode testing. The present approach is based on an upgrade of the Tear and Fatigue Analyzers, on the fracture mechanics theory of dynamically loaded test specimens and on the definition of pure-shear states according to the test specimen’s geometry ratio. The main focus of this work can be divided in two parts. Firstly it is introduced the development of a method for analysis of dynamic crack propagation in filled rubber by simultaneous tensile- and pure shear mode testing. The servo-hydraulic machine with controlled temperature testing chamber is equipped with simultaneously operating two mode test equipment which represents a new fracture testing method. Secondarily the analysis of crack propagation under the dynamic loading conditions is practised with this method. It is shown how the tearing energy and the crack growth rate depend on the test specimen’s geometry ratio and crack length. It is also demonstrated that the values for tearing energies and also crack growth rates for short crack lengths in SENT- as well as in pure-shear test specimens are identical. Another important aspect is related to the different values of tearing energies and crack growth rates for cracks with short and large lengths in pure-shear test specimens. The results show the dependence of fracture behavior on manufacturing the test specimens. The new fracture mechanical testing concept offers a comparison between fracture behavior of rubber materials independent of the test specimens geometry.

Pfropfcopolymere definierter Architektur wurden auf Basis von drei neu synthetisierten multifunktionellen Kopplungsreagenzien mit N-Acyllactam- und Benzoxazinongruppen über zweistufige selektive Schmelzereaktionen erfolgreich synthetisiert. Dabei wurde die Selektivität der Schmelzereaktionen durch die Reihenfolge der Zugabe der funktionellen Ausgangsoligomere und die Temperatur kontrolliert. Die erhaltenen Pfropfcopolymere stellen thermoplastische Elastomere mit hoher Zugfestigkeit und zugleich hoher Dehnung dar.

Polyurethane and the analogous ‘polyurethane-urea’ are high performance polymeric materials having remarkable properties such as high stiffness, abrasion and tear strengths. In many studies, the low strength rubbers have been blended with various types of polyurethanes for new and improved materials. However, until now, the reported heterogeneous blends offer only a narrow temperature range of application due to the high temperature softening of their polyurethane (-urea) phase. In addition, the conventional solution-or melt-blending methods are time and energy intensive, which tend to forfeit the economical realization of the reported blends. In contrast to earlier studies, a simplified reactive blending process is suggested to synthesize polyurethane-urea via a prepolymer route during blending with rubbers to obtain novel elastomeric materials having extended performance characteristics. The reactive blending process is opted to prepare blends based on nitrile butadiene rubber (NBR) and in-situ synthesized polyurethane-urea (PUU). The blending is carried out in an internal mixer at a preset temperature of 100°C. The critical temperatures of the reactive blending process are determined from the chemo-rheological analysis of a premix, composed of a 4,4′-diphenylmethane diisocyanate (MDI)/polyether (PTMEG) based prepolymer admixed with 1,3-phenylene diamine (mPD). The prepared NBR/PUU blends exhibit highly improved mechanical properties. Contrary to previous reports, the reinforced dynamic-mechanical responses of the novel blends remain stable till very high temperatures (≥180°C). The influence of diamine type on the in-situ synthesized polyurethane-urea and the performance of prepared blends are investigated. Four different diamines, namely 1,3-Phenylene diamine, 1,4-Bis(aminomethyl)benzene, 4,4′-Methylene-bis(2-chloroaniline) and 4,4ʹ-(1,3-Phenylenediisopropylidene)bisaniline, are selected to chain extend the prepolymer to PUU during blending with NBR. The chemical and domain structure of the PUUs are found to greatly influence the reinforced tensile and dynamic-mechanical responses of the NBR/PUU 70/30 blends. The PUU (based on MDI/PTMEG prepolymer and mPD) is blended with polar (CR, XNBR) and nonpolar (NR, EPDM, sSBR) rubbers. PUU compatibilizes with all the rubbers irrespective of their polarity and reinforces their tensile and dynamic-mechanical characteristics. The use of blends in industrial applications, for example, in a truck tire tread compound and as a roller covering material, is examined. In a simplified tire tread formulation, the carbon black for NR-CB composite is partially replaced with an equivalent quantity of PUU for NR/PUU-CB composite of similar hardness. The dynamic mechanical investigations reveal that the energy dissipation and strain dependent softening is high in NR-CB as compared to the NR/PUU-CB composite. In another application, NBR/PUU blend is successfully tested as a rubber roller covering material. The tested blend-covered roller retains its structural integrity and develops less heat build-up as compared to the silica filled NBR-covered roller. This shows a substantial suitability of the blend-covered rollers for film, printing and textile processing machinery. These novel blends are considered to be the promising new materials for many commercial applications including wheels, rubber rollers, belts or pump impellers.

In der Dissertation wurden Nanokomposite mit unterschiedlichen Kautschuken (HNBR, EPDM, MAH-g-EPDM) als Basismaterial sowie diversen modifizierten Schichtsilikaten als Füllstoff hergestellt und charakterisiert. Untersucht wurden die sich ausbildenden Strukturen bzw. die Morphologie (Aggregation, mögliche Orientierungen), die mechanischen Eigenschafte (Verstärkungswirkung) sowie die Füllstoff-Füllstoff-Wechselwirkungen und die Polymer-Füllstoff-Wechselwirkungen.

The integration of shape memory alloys (SMAs) into textile-reinforced composites produces a class of smart materials whose shape can be actively influenced. In this paper, Ni-Ti SMA wires are inserted during the weaving of a glass fiber reinforcement textile. This ‘‘active’’ reinforcement is then combined with an elastomeric matrix to produce a highly flexible composite sheet, which maintains high rigidity in the longitudinal direction. By activating the SMAs, high deflection ratios of up to 35% (relative to the component’s length) are achieved. To adjust the composite’s deflection to defined values, a closed-loop control is set up to adjust the current flow through the SMA wires. A control algorithm is designed and evaluated for several test cases. The high deformability and the controllable behavior show the high potential of these materials for applications such as aerodynamic flow control, automation and architecture.

Elektroakustische Systeme wie Lautsprecher, die elektrische Signale in akustische Signale umwandeln, sind heute Eckpfeiler der Kommunikation. Von Mikrotreibern in Kopfhörern und Smartphones über Audiosysteme in Fahrzeugen und Wohnzimmern bis hin zu großen Beschallungsanlagen in öffentlichen Räumen, Kinos und Konzerten sowie zahlreichen technischen Anwendungen sind sie heute ein allgegenwärtiger Bestandteil des täglichen Lebens. Die gängigsten Lautsprechertechnologien basieren auf elektrodynamischen Wandlern. Seit der ersten Patentierung vor 145 Jahren wurden diese, die notwendige Leistungselektronik sowie die Methoden zur Auslegung und Systembeschreibung im Klein- und Großsignalbereich kontinuierlich weiterentwickelt. Die Forschung befasst sich aber auch ständig mit alternativen Technologien, die Vorteile gegenüber konventionellen Antrieben haben können. In diesem Zusammenhang haben dielektrische Elastomere (DE) in den letzten 25 Jahren zunehmend an Aufmerksamkeit gewonnen. Sie versprechen u.a. einen höheren Wirkungsgrad, neuartige Konstruktionen und eine erhebliche Gewichtsreduktion. Zudem können sie aus kostengünstigen Ausgangsmaterialien ohne den Einsatz von Seltenen Erden oder ferroelektrischen Materialien hergestellt werden, was die Abhängigkeit von Rohstoffimporten verringert und neue Anwendungsfelder eröffnet. Trotz sehr aktiver Forschung und Entwicklung bei Materialien, Design und Herstellung gibt es bisher nur wenige kommerziell verfügbare Aktuatoranwendungen. Eine grundlegende Voraussetzung für die Etablierung einer Technologie sind standardisierte und nachvollziehbare Methoden zur prädiktiven Systembeschreibung und zum rechnergestützten Systementwurf. Diese sind für DE in dynamischen Anwendungen noch nicht verfügbar. In dieser Arbeit wird die etablierte Entwurfsmethodik zur prädiktiven Beschreibung kleinsignaliger dynamischer Systeme mit elektromechanischen und akustischen Netzwerken auf dielektrische Elastomere erweitert. Das Kernelement ist die Ableitung der elektromechanischen Wandlermodelle für DE-Längs- und Dickenoszillatoren. Basierend auf dieser Systembeschreibung, werden Auslegungskriterien für DE-basierte Schallquellen aufgestellt. Der Fokus liegt dabei auf der praktischen Anwendbarkeit und der Generierung von technologischen Vorteilen gegenüber elektrodynamischen Wandlern. Aus diesen Kriterien werden neuartige Wandlerkonzepte in Form von rollenaktorgetriebenen Lautsprechermembranen und unimorphen Membranen entwickelt, analysiert und als Demonstratoren realisiert. Darüber hinaus wird die Leistungselektronik untersucht, auf deren Basis Schaltungen zur Durchführung messtechnischer Untersuchungen und zum Betrieb der Demonstratoren entwickelt und realisiert wurden. Ziel der Arbeit ist es, Anwendungsentwicklern mit der vorgestellten Entwurfsmethodik einen besseren Zugang zur Technologie zu ermöglichen und so zur Entwicklung von DE-basierten Schallquellen im Speziellen und dynamischen DE-Aktoren im Allgemeinen beizutragen.:1 Introduction 1 2 Fundamentals of Dielectric Elastomers 5 3 Electromechanical Network Model of Dielectric Elastomers 9 3.1 Transducer Network Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 3.1.1 Electrostatic Forces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 3.1.2 Simulative-experimental Validation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 3.1.3 Mechanical Interactions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 3.1.4 Determination of the Parameters at the Operating Point . . . . . . . . . 19 3.1.5 Electromechanical Transducer Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 3.2 Electrical Behavior . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 3.3 Operating Voltage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 3.4 Mechanical Behavior . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 4 Power Electronics 37 4.1 Fundamental Requirements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 4.2 Alternative Concepts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 4.2.1 Adapted Circuit Designs for Capacitive Loads . . . . . . . . . . . . . . . . 39 4.2.2 Summing Circuits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 4.3 Realization of Power Electronics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 4.3.1 Coupling Capacitance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 4.3.2 Branch to Discharge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 4.3.3 Charging Resistor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 4.3.4 Additional Extensions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 4.3.5 Implemented Power Electronics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46 5 Design of DE Loudspeakers 49 5.1 State of the Art . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 5.1.1 Membrane and Bubble-Loudspeakers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 5.1.2 Annular Membrane Actuators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52 5.1.3 Preformed Membranes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 5.1.4 Thickness Oscillators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54 5.2 Fundamental Design Considerations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55 5.3 Proposed Concepts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58 6 DE-Roll Actuator based Loudspeaker Driver 61 6.1 Fundamentals of DERA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61 6.2 Stability Criteria . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63 6.3 Model Computation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 6.3.1 Fundamental Implementation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 6.4 Construction and Assembly . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68 6.4.1 PolyPower Actuators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69 VTable of Contents 6.4.2 Elastosil Actuator Manufacturing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77 6.4.3 Overview of Manufactured Actuators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78 6.5 Measurement Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79 6.5.1 Static Function Testing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80 6.5.2 Electrical Testing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81 6.5.3 Dynamic Electromechanical Measurements . . . . . . . . . . . . . . . . . 83 6.6 Electromechanical Test Results and Model Updating . . . . . . . . . . . . . . . . 85 6.7 Radial Actuation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89 6.8 Acoustic Extension . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90 6.8.1 Acoustic Configurations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91 6.8.2 Selection of loudspeaker diaphragm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92 6.8.3 Loudspeaker in Closed Cabinet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96 6.8.4 Loudspeaker in Vented Cabinet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98 6.8.5 Bending Wave Transducer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102 6.9 Acoustic Measurements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102 6.10 Demonstrator Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105 6.11 Considerations towards Large-Signal Behaviour . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112 7 Dielectric Elastomer Unimorph Membrane 115 7.1 Membrane Construction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116 7.2 Model-based Considerations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117 7.3 Headphones demonstrator construction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119 7.4 Measurements and Tests . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121 8 Summary and Outlook 129 Appendix 133 A ANSYS APDL simulation code for DE elementary cell model . . . . . . . . . . . . 136 B Additional comparisons of measurement and simulation data . . . . . . . . . . 138 / Electroacoustic systems such as loudspeakers, which convert electrical signals into acoustic signals, are nowadays cornerstones of communication. From microdrivers in headphones and smartphones, to audio systems in vehicles and living rooms, to large sound reinforcement systems in public spaces, cinemas and concerts, as well as numerous technical applications, they are nowadays a ubiquitous part of everyday life. The most common loudspeaker technologies are based on electrodynamic transducers. Since the first patent 145 years ago, they, the necessary power electronics as well as the methods for design and system description in the small- and large- signal range have been continuously developed. However, research is also constantly looking at alternative technologies that may have advantages over conventional drives. In this context, dielectric elastomers (DE) have gained increasing attention over the past 25 years. They promise, among other things, higher efficiency, novel designs and considerable weight reduction. Moreover, they can be manufactured from inexpensive starting materials without the use of rare-earths elements or ferroelectric materials, which reduces the dependence on raw materials imports and opens up new fields of application. Despite very active research and development of materials, designs and fabrication, there are only few commercially available actuator applications so far. A fundamental requirement for the establishment of a technology are standardized and comprehensible methods for predictive system description and for computer-aided system design. These are not yet available for DE in dynamic applications. In this work, the established design methodology for the predictive description of smallsignal dynamic systems using electromechanical and acoustic networks is being extended to dielectric elastomers. The core element is the derivation of the electromechanical transducer models for DE longitudinal and thickness oszillators. Based on this system description, design criteria for DE based sound sources are established. The focus lies on practical applicability and the generation of technological advantages compared to electrodynamic transducers. From these criteria, novel transducer concepts in the form of roll actuator driven loudspeaker diaphragms and unimorph membranes are developed, analyzed and realized as demonstrators. In addition, the power electronics are examined, on the basis of which circuits for carrying out metrological investigations and for operating the demonstrators were developed and implemented. The goal of the work is to provide application developers with better access to the technology using the presented design methodology and thus contribute to the development of DE-based sound sources in particular and dynamic DE actuators in general.:1 Introduction 1 2 Fundamentals of Dielectric Elastomers 5 3 Electromechanical Network Model of Dielectric Elastomers 9 3.1 Transducer Network Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 3.1.1 Electrostatic Forces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 3.1.2 Simulative-experimental Validation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 3.1.3 Mechanical Interactions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 3.1.4 Determination of the Parameters at the Operating Point . . . . . . . . . 19 3.1.5 Electromechanical Transducer Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 3.2 Electrical Behavior . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 3.3 Operating Voltage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 3.4 Mechanical Behavior . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 4 Power Electronics 37 4.1 Fundamental Requirements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 4.2 Alternative Concepts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 4.2.1 Adapted Circuit Designs for Capacitive Loads . . . . . . . . . . . . . . . . 39 4.2.2 Summing Circuits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 4.3 Realization of Power Electronics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 4.3.1 Coupling Capacitance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 4.3.2 Branch to Discharge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 4.3.3 Charging Resistor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 4.3.4 Additional Extensions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 4.3.5 Implemented Power Electronics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46 5 Design of DE Loudspeakers 49 5.1 State of the Art . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 5.1.1 Membrane and Bubble-Loudspeakers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 5.1.2 Annular Membrane Actuators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52 5.1.3 Preformed Membranes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 5.1.4 Thickness Oscillators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54 5.2 Fundamental Design Considerations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55 5.3 Proposed Concepts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58 6 DE-Roll Actuator based Loudspeaker Driver 61 6.1 Fundamentals of DERA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61 6.2 Stability Criteria . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63 6.3 Model Computation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 6.3.1 Fundamental Implementation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 6.4 Construction and Assembly . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68 6.4.1 PolyPower Actuators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69 VTable of Contents 6.4.2 Elastosil Actuator Manufacturing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77 6.4.3 Overview of Manufactured Actuators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78 6.5 Measurement Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79 6.5.1 Static Function Testing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80 6.5.2 Electrical Testing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81 6.5.3 Dynamic Electromechanical Measurements . . . . . . . . . . . . . . . . . 83 6.6 Electromechanical Test Results and Model Updating . . . . . . . . . . . . . . . . 85 6.7 Radial Actuation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89 6.8 Acoustic Extension . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90 6.8.1 Acoustic Configurations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91 6.8.2 Selection of loudspeaker diaphragm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92 6.8.3 Loudspeaker in Closed Cabinet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96 6.8.4 Loudspeaker in Vented Cabinet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98 6.8.5 Bending Wave Transducer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102 6.9 Acoustic Measurements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102 6.10 Demonstrator Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105 6.11 Considerations towards Large-Signal Behaviour . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112 7 Dielectric Elastomer Unimorph Membrane 115 7.1 Membrane Construction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116 7.2 Model-based Considerations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117 7.3 Headphones demonstrator construction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119 7.4 Measurements and Tests . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121 8 Summary and Outlook 129 Appendix 133 A ANSYS APDL simulation code for DE elementary cell model . . . . . . . . . . . . 136 B Additional comparisons of measurement and simulation data . . . . . . . . . . 138

Part 1: Theoretic background information - Review of Hooke’s law for linear elastic materials - The strain energy density of linear elastic materials - Hyperelastic material - Material laws for hyperelastic materials - About selecting the material model and performing tests - Implementation of hyperelastic material laws in Mechanica - Defining hyperelastic material parameters in Mechanica - Test set-ups and specimen shapes of the supported material tests - The uniaxial compression test - Stress and strain definitions in the Mechanica LDA analysis Part 2: Application examples - A test specimen subjected to uniaxial loading - A volumetric compression test - A planar test - Influence of the material law Appendix - PTC Simulation Services Introduction - Dictionary Technical English-German / Teil 1: Theoretische Hintergrundinformation - Das Hookesche Gesetz für linear-elastische Werkstoffe - Die Dehnungsenergiedichte für linear-elastische Materialien - Hyperelastisches Material - Materialgesetze für Hyperelastizität - Auswählen des Materialgesetzes und Testdurchführung - Implementierung der hyperelastischen Materialgesetze in Mechanica - Definieren der hyperelastischen Materialparameter in Mechanica - Testaufbauten und Prüfkörper der unterstützten Materialtests - Der einachsige Druckversuch - Spannungs- und Dehnungsdefinition in der Mechanica-Analyse mit großen Verformungen Teil 2: Anwendungsbeispiele - Ein einachsig beanspruchter Prüfkörper - Ein volumetrischer Drucktest - Ein planarer Test - Einfluss des Materialgesetzes Anhang: - Kurzvorstellung der PTC Simulationsdienstleistungen - Wörterbuch technisches Englisch-Deutsch

Part 1: Theoretic background information - Review of Hooke’s law for linear elastic materials - The strain energy density of linear elastic materials - Hyperelastic material - Material laws for hyperelastic materials - About selecting the material model and performing tests - Implementation of hyperelastic material laws in Mechanica - Defining hyperelastic material parameters in Mechanica - Test set-ups and specimen shapes of the supported material tests - The uniaxial compression test - Stress and strain definitions in the Mechanica LDA analysis Part 2: Application examples - A test specimen subjected to uniaxial loading - A volumetric compression test - A planar test - Influence of the material law Appendix - PTC Simulation Services Introduction - Dictionary Technical English-German / Teil 1: Theoretische Hintergrundinformation - Das Hookesche Gesetz für linear-elastische Werkstoffe - Die Dehnungsenergiedichte für linear-elastische Materialien - Hyperelastisches Material - Materialgesetze für Hyperelastizität - Auswählen des Materialgesetzes und Testdurchführung - Implementierung der hyperelastischen Materialgesetze in Mechanica - Definieren der hyperelastischen Materialparameter in Mechanica - Testaufbauten und Prüfkörper der unterstützten Materialtests - Der einachsige Druckversuch - Spannungs- und Dehnungsdefinition in der Mechanica-Analyse mit großen Verformungen Teil 2: Anwendungsbeispiele - Ein einachsig beanspruchter Prüfkörper - Ein volumetrischer Drucktest - Ein planarer Test - Einfluss des Materialgesetzes Anhang: - Kurzvorstellung der PTC Simulationsdienstleistungen - Wörterbuch technisches Englisch-Deutsch

Part 1: Theoretic background information - Review of Hooke’s law for linear elastic materials - The strain energy density of linear elastic materials - Hyperelastic material - Material laws for hyperelastic materials - About selecting the material model and performing tests - Implementation of hyperelastic material laws in Mechanica - Defining hyperelastic material parameters in Mechanica - Test set-ups and specimen shapes of the supported material tests - The uniaxial compression test - Stress and strain definitions in the Mechanica LDA analysis Part 2: Application examples - A test specimen subjected to uniaxial loading - A volumetric compression test - A planar test - Influence of the material law Appendix - PTC Simulation Services Introduction - Dictionary Technical English-German / Teil 1: Theoretische Hintergrundinformation - Das Hookesche Gesetz für linear-elastische Werkstoffe - Die Dehnungsenergiedichte für linear-elastische Materialien - Hyperelastisches Material - Materialgesetze für Hyperelastizität - Auswählen des Materialgesetzes und Testdurchführung - Implementierung der hyperelastischen Materialgesetze in Mechanica - Definieren der hyperelastischen Materialparameter in Mechanica - Testaufbauten und Prüfkörper der unterstützten Materialtests - Der einachsige Druckversuch - Spannungs- und Dehnungsdefinition in der Mechanica-Analyse mit großen Verformungen Teil 2: Anwendungsbeispiele - Ein einachsig beanspruchter Prüfkörper - Ein volumetrischer Drucktest - Ein planarer Test - Einfluss des Materialgesetzes Anhang: - Kurzvorstellung der PTC Simulationsdienstleistungen - Wörterbuch technisches Englisch-Deutsch

Part 1: Theoretic background information - Review of Hooke’s law for linear elastic materials - The strain energy density of linear elastic materials - Hyperelastic material - Material laws for hyperelastic materials - About selecting the material model and performing tests - Implementation of hyperelastic material laws in Mechanica - Defining hyperelastic material parameters in Mechanica - Test set-ups and specimen shapes of the supported material tests - The uniaxial compression test - Stress and strain definitions in the Mechanica LDA analysis Part 2: Application examples - A test specimen subjected to uniaxial loading - A volumetric compression test - A planar test - Influence of the material law Appendix - PTC Simulation Services Introduction - Dictionary Technical English-German / Teil 1: Theoretische Hintergrundinformation - Das Hookesche Gesetz für linear-elastische Werkstoffe - Die Dehnungsenergiedichte für linear-elastische Materialien - Hyperelastisches Material - Materialgesetze für Hyperelastizität - Auswählen des Materialgesetzes und Testdurchführung - Implementierung der hyperelastischen Materialgesetze in Mechanica - Definieren der hyperelastischen Materialparameter in Mechanica - Testaufbauten und Prüfkörper der unterstützten Materialtests - Der einachsige Druckversuch - Spannungs- und Dehnungsdefinition in der Mechanica-Analyse mit großen Verformungen Teil 2: Anwendungsbeispiele - Ein einachsig beanspruchter Prüfkörper - Ein volumetrischer Drucktest - Ein planarer Test - Einfluss des Materialgesetzes Anhang: - Kurzvorstellung der PTC Simulationsdienstleistungen - Wörterbuch technisches Englisch-Deutsch