本發(fā)明涉及一種粘彈特性測量裝置以及一種粘彈特性測量方法。

背景技術：

根據(jù)橡膠產品的粘彈特性來確定橡膠產品的質量。例如，根據(jù)輪胎的摩擦系數(shù)的值來確定輪胎的性能。關于用于測量這些橡膠產品的粘彈特性的技術，已經提出了各種建議。

例如，專利文獻1公開了一種用于測量諸如輪胎的黏彈性體的摩擦特性的技術。根據(jù)專利文獻1，傳感器單元發(fā)射聲波以作為入射聲波，該聲波在測量樣本中產生振動。另外，傳感器單元接收在測量樣本中產生的由于對該聲波的反射而產生的反射聲波。操作處理單元根據(jù)由傳感器單元接收的反射聲波來計算測量樣本的粘彈特性的損失正切(loss tangent)。操作處理單元根據(jù)損失正切來計算摩擦特性。專利文獻2公開了一種用于通過向研磨墊施加周期性振動來測量研磨墊的動態(tài)粘彈特性的技術。另外，專利文獻3公開了一種通過向物體施加旋轉振動來測量物體的動態(tài)粘彈特性的技術。

文獻列表

專利文獻

專利文獻1：日本未審查專利申請公開第2007-47130號

專利文獻2：日本未審查專利申請公開第2004-228265號

專利文獻3：日本未審查專利申請公開第2010-48722號

技術實現(xiàn)要素：

技術問題

由于大的應力作用在這類產品上，所以諸如輪胎的橡膠產品在發(fā)生大變形的狀態(tài)下使用。已經了解的是，橡膠是在發(fā)生大變形的狀態(tài)和發(fā)生小變形(例如，微小變形)的狀態(tài)之間具有不同的材料性質(佩恩效應)。具體地說，橡膠材料的大變形導致材料中的聚合的顆粒被損壞，這導致彈性模量的降低。因此，需要在接近材料的實際使用條件的條件下進行對橡膠材料的測試(動態(tài)測量)。

橡膠材料的摩擦特性具有兩個因子：粘性摩擦和滯后摩擦?？紤]這兩個因子，通常認為高頻下的粘彈特性(在下文中稱作高頻粘彈特性)對滯后摩擦貢獻大。如上所述，為了測量輪胎等的滯后摩擦，需要在接近輪胎實際使用條件的條件下(在發(fā)生大變形的狀態(tài)下)進行測量。然而，專利文獻1并未公開在測試樣本中發(fā)生變形。在使用超聲波來測量輪胎的高頻粘彈性時，由于橡膠材料因超聲波而產生的振幅為大約一微米，所以不能再現(xiàn)實際的大變形的扭曲。

本發(fā)明是為了解決上述問題而提供的，其目的在于提供一種粘彈特性測量裝置和一種粘彈特性測量方法，以能夠在近似地反映出諸如橡膠產品的樣本的實際使用狀態(tài)的狀態(tài)下測量粘彈特性。

技術方案

根據(jù)本發(fā)明的第一方面的粘彈特性測量裝置包括樣本變形單元、第一粘彈特性計算單元、發(fā)射單元、接收器以及第二粘彈特性計算單元。樣本變形單元將外力施加到測量樣本以引起周期性變形。第一粘彈特性計算單元基于作用在已經被樣本變形單元變形的測量樣本上的應力以及測量樣本的扭曲來計算測量樣本的低頻粘彈特性。發(fā)射單元將入射聲波發(fā)射至已經被樣本變形單元變形的測量樣本。接收器接收由于從發(fā)射單元發(fā)射的入射聲波在測量樣本中的反射而產生的反射聲波或者由于入射聲波穿過測量樣本透射而產生的透射聲波。第二粘彈特性計算單元基于由接收器接收的反射聲波或透射聲波在入射聲波的頻率下計算測量樣本的高頻粘彈特性。

根據(jù)本發(fā)明的第二方面，一種粘彈特性測量方法包括以下步驟(a)至步驟(e)。

(a)：變形步驟，將外力施加到測量樣本以引起周期性變形；

(b)：第一計算步驟，基于作用在已經被樣本變形單元變形的測量樣本上的應力以及測量樣本的扭曲來計算測量樣本的低頻粘彈特性；

(c)：發(fā)射步驟，將入射聲波發(fā)射至已經被樣本變形單元變形的測量樣本；

(d)：接收步驟，接收由于已經被發(fā)射的入射聲波在測量樣本中的反射而產生的反射聲波或者由于入射聲波穿過測量樣本透射而產生的透射聲波；

(e)：第二粘彈特性計算步驟，基于已經被接收的反射聲波或透射聲波在入射聲波的頻率下計算測量樣本的高頻粘彈特性。

有益效果

根據(jù)本發(fā)明，能夠提供一種粘彈特性測量裝置和一種粘彈特性測量方法，以能夠在近似地反映出諸如橡膠產品的樣本的實際使用狀態(tài)的狀態(tài)下測量粘彈特性。

附圖說明

圖1是示出根據(jù)第一實施例的粘彈特性測量裝置的構造示例的框圖；

圖2是示出根據(jù)第一實施例的傳感器的構造示例的框圖；

圖3是示出根據(jù)第一實施例的處理單元的構造示例的框圖；

圖4A是用于描述根據(jù)第一實施例的計算高頻粘彈特性的方法的圖；

圖4B是用于描述根據(jù)第一實施例的計算高頻粘彈特性的方法的圖；

圖5A是示出根據(jù)第一實施例的粘彈特性測量裝置的處理的一個示例的流程圖；

圖5B是示出根據(jù)第一實施例的粘彈特性測量裝置的處理的一個示例的流程圖；

圖6是示出根據(jù)第二實施例的粘彈特性測量裝置的構造示例的框圖；

圖7A是用于描述根據(jù)第二實施例的計算高頻粘彈特性的方法的圖；

圖7B是用于描述根據(jù)第二實施例的計算高頻粘彈特性的方法的圖；

圖7C是用于描述根據(jù)第二實施例的計算高頻粘彈特性的方法的圖；

圖8A是示出根據(jù)第二實施例的粘彈特性測量裝置的處理的一個示例的流程圖；

圖8B是示出根據(jù)第二實施例的粘彈特性測量裝置的處理的一個示例的流程圖；

圖9是示出根據(jù)第三實施例的粘彈特性測量裝置的構造示例的框圖；

圖10A是示出在向測量樣本施加彎曲力時的高頻粘彈特性的測量示例的圖；

圖10B是示出在向測量樣本施加彎曲力時的高頻粘彈特性的測量示例的圖；

圖10C是示出在向測量樣本施加彎曲力時的高頻粘彈特性的測量示例的圖；

圖11是示出在測量樣本按照預定頻率圍繞旋轉軸旋轉并且向測量樣本施加電場時，低頻粘彈特性的測量示例的圖；

圖12是示出根據(jù)第四實施例的粘彈特性測量裝置的構造示例的框圖；

圖13A是用于描述根據(jù)第四實施例的計算高頻粘彈特性的方法的圖；

圖13B是用于描述根據(jù)第四實施例的計算高頻粘彈特性的方法的圖；

圖13C是用于描述根據(jù)第四實施例的計算高頻粘彈特性的方法的圖；

圖14是示出根據(jù)第四實施例的粘彈特性測量裝置的構造示例的框圖；

圖15是示出具有粘彈特性的測量樣本的扭曲與應力之間的關系的一個示例的曲線圖；

圖16是示出具有粘彈特性的測量樣本的頻率與粘彈性之間的關系的一個示例的曲線圖；

圖17是示出根據(jù)第五實施例的粘彈特性測量裝置的局部構造示例的框圖。

具體實施方式

[第一實施例]

在下文中，將參照附圖描述本發(fā)明的第一實施例。圖1是示出根據(jù)第一實施例的粘彈特性測量裝置1的構造示例的框圖。粘彈特性測量裝置1包括流變儀控制器10、流變儀單元11、聲波發(fā)射單元12、聲波信號產生單元13、轉換單元14以及處理單元15。在下面的描述中，將要被測量其粘彈特性的測量樣本將被描述為測量樣本S。測量樣本S可以是固態(tài)樣本，或者也可以是液態(tài)樣本。另外，粘彈特性包括將在下面描述的損失正切tanδ、存儲彈性模量E’以及損失彈性模量E”中的至少一個值。

首先，將描述流變儀控制器10。流變儀控制器10從處理單元15獲取控制信號，以指示流變儀單元11的操作。流變儀控制器10根據(jù)控制信號控制流變儀單元11以使流變儀單元11向測量樣本S施加預定的扭曲。具體地說，流變儀控制器10向驅動單元20的馬達23輸出驅動指令。

流變儀控制器10能夠控制流變儀單元11以使流變儀單元11圍繞軸21(旋轉夾具)旋轉。測量樣本S的在軸21的一側上的部分隨著流變儀單元11的旋轉而移動，并且測量樣本S的在聲波發(fā)射單元12的一側上的部分(測量樣本S的與軸21的一側相對的一側上的部分)被固定并且不移動。因此，在測量樣本S中產生扭曲的變形(切變)。另外，流變儀控制器10可以使軸21沿長度方向(圖1中的豎直方向，在下文中將被稱作為豎直方向)振動，以使測量樣本S在豎直方向上振動。流變儀控制器10可以控制例如軸21的旋轉或振動并在測量樣本S中產生正弦波振動。

在上述情況下，流變儀控制器10能夠調節(jié)軸21的旋轉的寬度和周期，或者調節(jié)軸21的振動的幅值和頻率。流變儀控制器10執(zhí)行控制，使得測量樣本S以低頻(例如，大約幾Hz至100Hz)旋轉或振動。

可替代地，流變儀控制器10可以執(zhí)行控制，使得馬達23沿豎直方向以預定的周期通過軸21向測量樣本S施加應力，以壓縮測量樣本S。在另一替代例中，流變儀控制器10可以執(zhí)行控制，使得馬達23沿豎直方向以預定的周期通過軸21拉起測量樣本S，以拉伸測量樣本S。在這種情況下，流變儀控制器10能夠調節(jié)壓力或張力的幅值和周期。在又一替代例中，流變儀控制器10可以從軸21的寬度方向(圖1中的水平方向，在下文中該方向將被稱作橫向方向)以預定的周期向測量樣本S施加彎曲力。按這種方式，流變儀控制器10控制流變儀單元以向測量樣本S施加外力，從而實施周期變形。

上述流變儀控制器10的操作可以彼此組合地執(zhí)行。例如，流變儀控制器10可以由諸如存儲器或另一集成電路(IC)的電路形成。

流變儀單元11是根據(jù)流變儀控制器10的控制向測量樣本S施加外力以使測量樣本S變形的樣本變形單元。上面已經陳述了根據(jù)流變儀單元11的操作而產生的測量樣本S的變形。測量樣本S夾在流變儀單元11和聲波發(fā)射單元12之間。

流變儀單元11具體地包括驅動單元20、軸21和環(huán)形板22。驅動單元20通過軸21向測量樣本S施加外力。具體地說，驅動單元20包括馬達23和傳感器24。馬達23根據(jù)來自流變儀控制器10的驅動指令來驅動軸21。軸21連接到環(huán)形板22，并且環(huán)形板22根據(jù)軸21的移動而移動。由于環(huán)形板22被固定到測量樣本S的一個表面，所以測量樣本S根據(jù)從驅動單元20施加的外力而變形。

另外，環(huán)形板22設置有能夠獲取測量樣本S的溫度的探針。由探針獲取的測量樣本S的溫度的信息被輸出到傳感器24。

傳感器24測量與測量樣本S的狀態(tài)相關的測量的量，并將測量的量輸出至轉換單元14。已經被輸出至轉換單元14的測量的量被轉換單元14轉換，并且所得的值被輸出至處理單元15。

圖2是示出傳感器24的構造示例的框圖。具體地說，傳感器24包括應力檢測傳感器32和溫度檢測傳感器33。在下面的描述中，將描述傳感器24的每個組件。

應力檢測傳感器32檢測基于從流變儀控制器10輸出的驅動指令而作用在測量樣本S上的應力，并將已經檢測到的應力的數(shù)據(jù)輸出至轉換單元14。例如，當來自流變儀控制器10的驅動指令是基于正弦波沿豎直方向向測量樣本S施加振動時，應力檢測傳感器32檢測正弦波的應力的數(shù)據(jù)并將檢測到的數(shù)據(jù)輸出至轉換單元14。當剪切力被施加到測量樣本S時，應力檢測傳感器32可以通過檢測已經產生的扭矩來檢測作用在測量樣本S上的應力。

溫度檢測傳感器33從設置在環(huán)形板22中的探針獲取測量樣本S的溫度。溫度檢測傳感器33將已經獲取到的溫度的數(shù)據(jù)輸出至轉換單元14。

返回參照圖1，將繼續(xù)描述。聲波發(fā)射單元12與測量樣本S接觸，向測量樣本S發(fā)射由聲波信號產生單元13產生的高頻入射聲波，并且獲取由于入射聲波在測量樣本S中的反射而產生的反射聲波(測量的量)。具體地說，聲波發(fā)射單元12包括換能器25和延時構件26。在下面的描述中，將描述每個組件。

換能器25被形成為包括例如壓電元件。換能器25以其與延時構件26接觸的方式來設置。換能器25連接到將在后面描述的方向調整器28，并在從方向調整器28接收電信號時將該電信號轉換為聲波。換能器25在轉換至延時構件26之后發(fā)射(輸出)聲波。延時構件26使已經被發(fā)射的聲波延時并將延時后的波發(fā)射至測量樣本S。另外，在通過延時構件26接收到從測量樣本S發(fā)射的反射聲波(由于入射聲波在測量樣本S中的反射而產生的聲波)時，換能器25將反射聲波轉換為電信號。換能器25在轉換至方向調整器28之后輸出電信號。

延時構件26的一個表面與換能器25緊密接觸，另一個表面與接觸測量樣本S的表面相對。根據(jù)這樣的構造，延時構件26能夠將從換能器25發(fā)射的入射聲波傳播至測量樣本S并且將由于在測量樣本S中的入射聲波的反射而產生的反射聲波傳播至換能器25。延時構件26用于延遲聲波的到達時間。更具體地說，通過增大延時構件26的傳播長度，由換能器25發(fā)射入射聲波直至換能器25接收到反射聲波的時間可以被延長。因此，能夠防止換能器25在發(fā)射入射聲波的同時接收到反射聲波。

接下來，將描述聲波信號產生單元13。聲波信號產生單元13產生入射聲波的電信號并將該電信號輸出至聲波發(fā)射單元12，以計算高頻粘彈特性。另外，聲波信號產生單元13接收通過聲波發(fā)射單元12獲取的反射聲波的電信號，并將已經接收到的電信號輸出至轉換單元14。聲波信號產生單元13具體地包括驅動波形產生器27、方向調整器28和高頻放大器29。在下面的描述中，將描述這些組件。

驅動波形產生器27根據(jù)從處理單元15輸出的用于指示聲波的發(fā)射的信號來產生電信號(驅動波形)并將已經產生的電信號輸出至方向調整器28。該電信號是用于產生將被發(fā)射至測量樣本S的聲波的信號。具體地說，將被發(fā)射至測量樣本S的聲波可以是像脈沖那樣的聲波或者包括預定的頻率分量的聲波。此外，當驅動波形產生器27產生上述電信號并且輸出產生的電信號時，驅動波形產生器27輸出指示已經被產生的電信號何時將被輸出至高頻放大器29的時機的觸發(fā)信號。

方向調整器28連接到驅動波形產生器27、高頻放大器29和換能器25。方向調整器28將從驅動波形產生器27接收的電信號輸出至換能器25，并將從換能器25供應的電信號輸出至高頻放大器29。方向調整器28以這樣的方式來調節(jié)信號傳輸方向，使得從驅動波形產生器27輸出的電信號不被輸出至高頻放大器29。

高頻放大器29接收從方向調整器28供應的電信號。該電信號從換能器25輸出。高頻放大器29以預定的放大倍率放大已經被供應的電信號中的高頻分量。然后，高頻放大器29將放大后的電信號輸出至轉換單元14。被高頻放大器29放大的電信號中的高頻分量(例如1MHz至100MHz)包括計算高頻粘彈特性所需的測量的量。在高頻放大器29接收來自驅動波形產生器27的觸發(fā)信號之后，高頻放大器29開始接收從換能器25供應的電信號。根據(jù)上述過程，在未測量測量樣本S的高頻粘彈特性的期間，高頻放大器29不執(zhí)行操作。因此，能夠抑制高頻放大器29的不期望的操作。

按照這種方式，聲波發(fā)射單元12和聲波信號產生單元13測量關于測量樣本S的高頻粘彈特性的測量的量。另外，聲波發(fā)射單元12用作將入射聲波輸出至測量樣本S的發(fā)射單元，并且還用作接收由于入射聲波在測量樣本S中的反射而產生的反射聲波的接收器。這樣的構造通常被用于非破壞性檢測(超聲波)中。

接下來，將描述轉換單元14。轉換單元14轉換在處理單元15與流變儀控制器10、驅動單元20和聲波信號產生單元13之間通信的信號的格式。更具體地說，轉換單元14包括D/A轉換單元30和A/D轉換單元31。D/A轉換單元30將從處理單元15輸出的數(shù)字控制信號轉換為模擬信號并將轉換后的控制信號輸出至流變儀控制器10。另外，D/A轉換單元30將從處理單元15輸出的數(shù)字發(fā)射指示信號轉換為模擬信號并將轉換后的發(fā)射指示信號輸出至驅動波形產生器27。

此外，A/D轉換單元31將從高頻放大器29輸出的電信號從模擬信號轉換為數(shù)字信號，并將轉換后的電信號輸出至處理單元15。另外，A/D轉換單元31將從傳感器24輸出的電信號從模擬信號轉換為數(shù)字信號，并將轉換后的電信號輸出至處理單元15。D/A轉換單元30由D/A轉換電路(轉換器)構成，A/D轉換單元31由A/D轉換電路(轉換器)構成。在下面的描述中，將酌情省略對上面描述的通過轉換單元14進行的對將要被輸出至處理單元15的信號的A/D轉換以及對從處理單元15輸出的信號的D/A轉換的描述。

下面，將描述處理單元15(第一粘彈特性計算單元和第二粘彈特性計算單元)。圖3是示出處理單元15的構造示例的框圖。處理單元15利用由聲波發(fā)射單元12和聲波信號產生單元13測量的測量的量來計算測量樣本S的高頻粘彈特性。更具體地說，處理單元15包括輸入單元34、操作單元35、時間數(shù)據(jù)存儲器單元36、存儲單元37以及顯示/輸出單元38。處理單元15由例如計算機(具體地說，個人計算機)構成。作為執(zhí)行各種處理的功能塊，處理單元15中的系統(tǒng)的每個組件可以由諸如存儲器等電路或硬件形式的另一IC來形成，并且可以由預先載入到存儲器中的程序等來實現(xiàn)。在下面的描述中，將描述每個組件。

由流變儀單元11執(zhí)行的指示測量樣本S的變形的類型和參數(shù)的變形指令由測量者輸入到輸入單元34中。例如，測量者能夠將旋轉測量樣本S(即，使軸21旋轉)的指令以及例如旋轉的寬度和周期的參數(shù)輸入到輸入單元34。同樣的內容可以應用于測量樣本S被拉伸、壓縮或振動的情況。按這種方式，測量者確定將被施加至測量樣本S的預定的扭曲。

另外，測量者可以輸入發(fā)射指令，以使聲波信號產生單元13向輸入單元34發(fā)射聲波。輸入單元34由例如按鈕組成。

當由流變儀單元11執(zhí)行的指示測量樣本S的變形的類型和參數(shù)的變形指令被從輸入單元34輸出時，操作單元35將控制信號輸出至流變儀控制器10。操作單元35利用該控制信號控制流變儀單元11的操作。另外，操作單元35將根據(jù)變形指令產生的測量樣本S的扭曲的數(shù)據(jù)存儲在存儲單元37中。

傳感器24將測量的量的數(shù)據(jù)(作用在測量樣本S上的應力以及測量樣本S的溫度的數(shù)據(jù))輸出至時間數(shù)據(jù)存儲器單元36。操作單元35讀出存儲在時間數(shù)據(jù)存儲器單元36中的數(shù)據(jù)以及存儲在存儲單元37中的測量樣本S的扭曲的數(shù)據(jù)，以計算低頻下的測量樣本S的粘彈特性(在下文中，該特性將被稱作低頻粘彈特性)。

另外，操作單元35在從輸入單元34接收到發(fā)射聲波的指令時將發(fā)射指示信號輸出至D/A轉換單元30。D/A轉換單元30將發(fā)射指示信號從數(shù)字信號轉換為模擬信號并將轉換后的發(fā)射指示信號輸出至驅動波形產生器27。按這種方式，操作單元35產生將被發(fā)射至測量樣本S的聲波。如上所述的從操作單元35輸出的這些信號是數(shù)字信號。驅動波形產生器27產生電信號以促使根據(jù)發(fā)射指示信號產生將被發(fā)射至測量樣本S的聲波，將該電信號輸出至方向調整器28。按這種方式，操作單元35在從輸入單元34接收到發(fā)射聲波的指令時開始測量測量樣本S中的高頻粘彈特性。

當反射聲波的時間波形數(shù)據(jù)被存儲在時間數(shù)據(jù)存儲器單元36中時，操作單元35讀出數(shù)據(jù)。操作單元35在例如快速傅里葉變換(FFT)的頻率區(qū)間中執(zhí)行波形分析處理，以獲取在將被檢測的頻率下的幅值和相位。將被檢測的頻率的數(shù)量既可以是一個，也可以是多個。然后，操作單元35讀出存儲在存儲單元37中的參考值并根據(jù)該參考值和存儲在時間數(shù)據(jù)存儲器單元36中的在將被檢測的頻率下的反射聲波的幅值和相位來計算測量單元S的高頻粘彈特性。

從傳感器24輸出的數(shù)據(jù)以預定的周期存儲在時間數(shù)據(jù)存儲器單元36中。將被存儲的數(shù)據(jù)是作用在測量樣本S上的應力以及測量樣本S的溫度的數(shù)據(jù)。

另外，時間數(shù)據(jù)存儲器單元36以預定的周期存儲從高頻放大器29供應的反射聲波的電信號的時間波形。時間數(shù)據(jù)存儲器單元36能夠根據(jù)操作單元35的控制來改變存儲數(shù)據(jù)的周期。

存儲單元37存儲測量樣本S的扭曲的數(shù)據(jù)，并且預先存儲計算測量樣本S的高頻粘彈特性所需的參考值。該參考值是在測量高頻粘彈特性的頻率下的幅值和相位的數(shù)據(jù)。將在下面詳細描述該參考值。操作單元35讀出存儲在存儲單元37中的參考值。

顯示/輸出單元38將操作單元35中計算的測量樣本S的低頻粘彈特性以及高頻下的粘彈特性顯示或輸出給測量者。顯示/輸出單元38例如為顯示器。

<計算低頻粘彈特性的方法>

接下來，將簡要地描述粘彈特性測量裝置1計算測量樣本S的低頻粘彈特性的情況。操作單元35從時間數(shù)據(jù)存儲器單元36讀取作用在測量樣本S上的應力的數(shù)據(jù)，并從存儲單元37讀取測量樣本S的扭曲的數(shù)據(jù)。然后，操作單元35比較作用在測量樣本S上的應力的幅值與測量樣本S的扭曲的幅值，以計算它們的幅值比例。該幅值比例是低頻下的存儲彈性模量E’。另外，操作單元35比較作用在測量樣本S上的應力的相位與測量樣本S的扭曲的相位，以計算它們之間的相位差。操作單元35利用該相位差計算低頻下的損失正切tanδ。當用E”來表示損失彈性模量時，在損失正切tanδ、存儲彈性模量E’與損失彈性模量E”之間建立下面的關系。

tanδ＝E”/E’···(1)

因此，通過計算損失正切tanδ和存儲彈性模量E’，也計算了損失彈性模量E”。按這種方式，操作單元35能夠計算動態(tài)低頻粘彈特性(例如，參見專利文獻2)。

另外，操作單元35能夠使用從時間數(shù)據(jù)存儲器單元36讀出的測量樣本S的溫度的數(shù)據(jù)來計算低頻彈性特性的溫度依存性。

<計算高頻粘彈特性的方法(表面反射法)>

此外，將描述粘彈特性測量裝置1計算測量樣本S的高頻粘彈特性的情況。在該計算方法中，使用了表面反射法(例如，參見專利文獻1)。在該情況下，換能器35將入射聲波發(fā)射至測量樣本S。已經被發(fā)射的入射聲波在測量樣本S的表面被反射，并且產生反射聲波。處理單元15基于反射聲波測量高頻粘彈特性。

圖4A和圖4B是用于描述使用該表面反射法來計算高頻粘彈特性的方法的圖。圖4A是示出在獲取參考值時入射聲波的反射狀態(tài)的圖，圖4B是示出在計算測量樣本S的高頻粘彈特性時的入射聲波的反射狀態(tài)的圖。在下面的描述中使用了聲阻抗，其表示從聲波發(fā)射單元12的換能器25發(fā)射的入射聲波的傳播特性。

參照圖4A，將描述參考值。參考值是當延時構件26的與接觸換能器25的表面相對的表面不接觸測量樣本S時，在測量樣本的頻率下的相位和幅值。在這種情況下，入射聲波在延時構件26的端部與空氣之間的交界面上反射。在下面的描述中，入射聲波和反射聲波的頻率由f表示，延時構件26的聲阻抗由Z_B(f)(其為頻率f的函數(shù))表示。按照相似的方式，空氣的聲阻抗由Z_A(f)(其為頻率f的函數(shù))表示。聲阻抗Z_B(f)和Z_A(f)是復數(shù)值。

在延時構件26與空氣之間的交界面中的入射聲波的反射率R_BA(f)如下。

R_BA(f)＝(Z_A(f)-Z_B(f))/(Z_A(f)+Z_B(f))···(2)

在這種情況下，在期望的頻率f下，Z_A(f)遠小于Z_B(f)。因此，根據(jù)表達式(2)，反射率R_BA(f)為-1。也就是說，全部的入射聲波在延時構件26與空氣之間的交界面上反射。

在下面的描述中，入射在換能器25上的反射聲波的表達式被表達為a₀(f)exp(iθ₀(f))。標號i表示虛數(shù)單位，標號a₀(f)表示在目標頻率下的實數(shù)的幅值，標號θ₀(f)是等于或大于0的實數(shù)并且表示在每個頻率下的相位。從換能器25發(fā)射至測量樣本S的入射聲波的表達式被表達如下。

a₀(f)exp(iθ₀(f))×R_AB(f)＝-a₀(f)exp(iθ₀(f))···(3)

因此，可以認為，表達式(3)中示出的入射聲波被發(fā)射至測量樣本S。存儲單元37預先將表達式(3)中的幅值a₀(f)和相位θ₀(f)存儲為參考值。該參考值是預先測量并獲得的。

下面，參照圖4B，將描述計算測量樣本S的高頻粘彈特性的情況。在計算測量樣本S的高頻粘彈特性時，在延時構件26與測量樣本S緊密接觸的狀態(tài)下，根據(jù)從驅動波形產生器27電信號的輸出從換能器25發(fā)射與圖4A中所示的入射聲波相同的入射聲波。換能器25接收在延時構件26與測量樣本S之間的交界面上反射的反射聲波，并且高頻放大器29放大反射聲波的電信號中的高頻分量。操作單元35將反射聲波與存儲單元37中存儲的參考值進行比較，以計算測試樣本S的損失正切。

當測量樣本S的聲阻抗(其為頻率f的函數(shù))由Z_S(f)表示時，在延時構件26與測量樣本S之間的交界面中的入射聲波的反射率R_BS(f)如下。

R_BS(f)＝(Z_S(f)-Z_B(f))/(Z_S(f)+Z_B(f))···(4)

通過表達式(4)，Z_S(f)可以被表達如下。

Z_S(f)＝Z_B(f)×(1+R_BS(f))/(1-R_BS(f))···(5)

在下面的描述中，入射在換能器25上的反射聲波的表達式被表達為a(f)exp(iθ(f))。標號i表示虛數(shù)單位，標號標號a(f)表示在目標頻率下的實數(shù)的幅值，標號θ(f)是等于或大于0的實數(shù)并且表示在每個頻率下的相位。利用表達式(2)中的參考值，反射聲波的表達式由下面的表達式表示。

a(f)exp(iθ(f))＝-a₀(f)exp(iθ₀(f))×R_BS(f)···(6)

通過表達式(5)，入射聲波的反射率R_BS(f)由下面的表達式表示。

R_BS(f)＝-(a(f)/a₀(f))×exp(i(θ(f)-θ₀(f))···(7)

當表達式(6)被代入到表達式(4)中時，可以獲得如下的Z_S(f)。

Z_S(f)＝Z_B(f)×(1-(a(f)/a₀(f))×exp(i(θ(f)-θ₀(f)))/(1+(a(f)/a₀(f))×exp(i(θ(f)-θ₀(f)))···(8)

測量樣本S的存儲彈性模量和損失彈性模量(其為頻率f的函數(shù))，分別由E’(f)和E”(f)表示。在該情況下，在與測量樣本S的聲阻抗Z_S(f)和密度ρ_T與E’(f)和E”(f)之間建立如下的關系。

E’+iE”(f)＝Z_S(f)²/ρ_T···(9)

通過將表達式(8)代入到表達式(9)中，并將實數(shù)分量與虛數(shù)分量分開，可以如下地計算損失正切tanδ(f)。

tanδ(f)＝E”/E’＝{4×(a(f)/a₀(f))×(1-(a(f)/

a₀(f))²)×sin(θ(f)-θ₀(f))}/{(1-(a(f)/a₀(f))²)²-4×(a(f)/a₀(f))²×sin²(θ(f)-θ₀(f))}···(10)

存儲彈性模量E’(f)和損失彈性模量E”(f)分別計算如下。

E’(f)＝Re[Z_S(f)²/ρ_T]＝(Z_B(f)²/ρ_T)×{(1-(a(f)/a₀(f))²)²-4(a(f)/a₀(f))²×sin²(θ(f)-θ₀(f))}/{1+2(a(f)/a₀(f))cos(θ(f)-θ₀(f))+(a(f)/a₀(f))²}²···(11)

E”(f)＝Im[Z_S(f)²/ρ_T]＝(Z_B(f)²/ρ_T)×{4(a(f)/a₀(f))×(1-(a(f)/a₀(f))²)sin(θ(f)-θ₀(f))}/{1+2(a(f)/a₀(f))cos(θ(f)-θ₀(f))+(a(f)/a₀(f))²}²···(12)

標號Re[Z_S(f)²/ρ_T]表示Z_S(f)²/ρ_T的實數(shù)分量，標號Im[Z_S(f)²/ρ_T]表示Z_S(f)²/ρ_T的虛數(shù)分量。

如表達式(10)至(12)中所示，存儲彈性模量E’(f)、損失彈性模量E”(f)和損失正切tanδ(f)基于a₀(f)和θ₀(f)通過{a(f)/a₀(f)}和{θ(f)-θ₀(f)}來定義。操作單元35將幅值a₀(f)和相位特性θ₀(f)設置為參考值，并且將測量樣本S被測量時獲取到的反射聲波的電信號的數(shù)據(jù)與該參考值進行比較。根據(jù)該過程，能夠測量測量樣本S的高頻粘彈特性。另外，如上所述，測量樣本S的高頻粘彈特性取決于頻率。因此，操作單元35可以針對多個頻率分量中的每一個計算高頻粘彈特性。此外，當需要計算高頻下的損失正切時，可以從換能器25供應超聲波以作為入射聲波。

另外，操作單元35也能夠使用從時間數(shù)據(jù)存儲器單元36讀出的測量樣本S的溫度的數(shù)據(jù)來計算高頻粘彈特性的溫度依存性。

圖5A和圖5B是示出粘彈特性測量裝置1的處理的一個示例的流程圖。在下面的描述中，參照圖5A和圖5B，將描述粘彈特性測量裝置1的整個處理。

首先，操作單元35確定是否已經從輸入單元34接收到使測量樣本S變形的指令(步驟S1)。當操作單元35未接收到變形指令時(步驟S1中的否)，操作單元35不向流變儀控制器10輸出控制信號并再次執(zhí)行步驟S1中的確定處理。已經在上面描述了變形指令的細節(jié)。

當操作單元35已經接收到了使測量樣本S變形的指令時(步驟S1中的是)，操作單元35將控制信號輸出至流變儀控制器10。流變儀控制器10根據(jù)該控制信號將驅動指令輸出至驅動單元20的馬達23。根據(jù)該驅動指令來驅動馬達23并且使測量樣本S變形(步驟S2)。另外，操作單元35將測量樣本S的扭曲的數(shù)據(jù)存儲在存儲單元37中。

接下來，操作單元35確定是否已經從輸入單元34接收到發(fā)射聲波的指令(步驟S3)。當未接收到發(fā)射指令時(步驟S3中的否)，操作單元35不允許產生將被發(fā)射至測量樣本S的聲波，并再次執(zhí)行步驟S3的確定處理。已經在上面描述了發(fā)射指令的細節(jié)。

當操作單元35已經接收到發(fā)射聲波的指令時(步驟S3中的是)，操作單元35將用于指示發(fā)射聲波的信號輸出至驅動波形產生器27。驅動波形產生器27根據(jù)發(fā)射指示信號產生用于產生將被發(fā)射至測量樣本S的入射聲波的電信號，以將該電信號輸出至方向調整器28。換能器25將已經被供應的電信號轉換為入射聲波，并通過延時構件26將入射聲波發(fā)射至測量樣本S(步驟S4)。

在通過延時構件26接收到來自測量樣本S的反射聲波時，換能器25將反射聲波轉換為電信號，并將轉換后的電信號輸出至方向調整器28(步驟S5)。方向調整器28將電信號輸出至高頻放大器29。高頻放大器29放大包括在已經被供應的電信號中的高頻分量，并將已經被放大的電信號輸出至時間數(shù)據(jù)存儲器單元36。

操作單元35讀出存儲在時間數(shù)據(jù)存儲器單元36中的數(shù)據(jù)，在一個頻率區(qū)間內執(zhí)行波形分析處理，并獲取在將被檢測的頻率下的幅值和相位(步驟S6)。另外，應力檢測傳感器32檢測作用在測量樣本S上的應力(步驟S7)。

操作單元35基于作用在測量樣本S上的應力的數(shù)據(jù)以及存儲在存儲單元37中的測量樣本S的扭曲的數(shù)據(jù)來計算測量樣本S的低頻粘彈特性。此外，操作單元35讀出存儲在存儲單元37中的參考值。操作單元35基于參考值以及存儲在時間數(shù)據(jù)存儲器單元36中的反射聲波的在將被檢測的頻率下的幅值和相位來計算測量樣本S的高頻粘彈特性(步驟S8)。已經在上面陳述了計算方法的細節(jié)。

操作單元35在預定的時間段內計算并獲得低頻粘彈特性，并提取隨著時間變化的粘彈特性的特征量(步驟S9)。特征量可以是存儲彈性模量E’(f)、損失彈性模量E”(f)和損失正切tanδ(f)中的至少一個值，或者可以是從存儲彈性模量E’(f)、損失彈性模量E”(f)和損失正切tanδ(f)中選擇的兩個值的比例。另外，操作單元35可以執(zhí)行差分計算，以將粘彈特性的時間變化的峰值作為特征量檢測，或者可以檢測表征粘彈特性的增大/減小趨勢的程度的特性的量。如上所述，操作單元35能夠使用公知的計算特征量的方法來計算特征量。此外，特征量可以使用低頻粘彈特性和高頻粘彈特性之一或者低頻粘彈特性和高頻粘彈特性二者。通過計算各個特征量中的適當?shù)奶卣髁?，操作單?5能夠確定測量樣本S在測量樣本S的應用中是否具有最優(yōu)的物理性質。

當測量樣本S在化學過程中改變(測量樣本S經受化學變化)時，測量樣本S的粘彈特性的光譜可能隨時間而改變?？紤]測量樣本S為例如面團的情況。在該情況下，當測量樣本S被揉捏并同時變形時，粘彈特性隨時間而改變?；陔S時間而改變的粘彈特性，能夠確定對于面團最優(yōu)的粘彈特性的值。具體地說，產生了通過使由相同的材料制成的測量樣本S變形不同的時間段而獲得的面團的多個標本。通過烘焙這些多個標本，確定了在烘焙之后將成為具有最優(yōu)硬度的面包的標本。該標本的粘彈特性數(shù)據(jù)成為對于面團的最優(yōu)粘彈特性的值。當測量樣本S為除了面團之外的樣本時，可以根據(jù)測量樣本S的特性來確定最優(yōu)的粘彈特性的值。

根據(jù)由此獲取的測量樣本S的最優(yōu)粘彈特性的值(存儲彈性模量E’(f)、損失彈性模量E”(f)和損失正切tanδ(f))，能夠確定指示測量樣本S是否具有對于應用最優(yōu)的粘彈特性的特征量。例如，當在步驟S9中獲取的測量樣本S的特征量在預定的范圍內時，測量者確定測量樣本S具有最優(yōu)粘彈特性，并且當測量樣本S的特征量在預定范圍之外時，測量者能夠確定測量樣本S不具有最優(yōu)粘彈特性。

此外，操作單元35使用在步驟S8中計算的高頻粘彈特性和低頻粘彈特性來計算高頻粘彈特性與低頻粘彈特性之間的關聯(lián)性程度(步驟S10)。通過計算該關聯(lián)性，可以清楚測量樣本S的特性。例如，當已經在步驟S10中計算了高頻粘彈特性與低頻粘彈特性之間的關聯(lián)性程度低(例如，等于或小于預定的閾值)時，這意味著通過僅測量低頻粘彈特性并不清楚的測量樣本S的特性的變化，通過測量測量樣本S的高頻粘彈特性而變得清楚。因此，能夠取得關于測量樣本S的特性的新發(fā)現(xiàn)。當在步驟S9中提取的特征量使用了低頻粘彈特性和高頻粘彈特性二者時，可以通過高頻粘彈特性與低頻粘彈特性之間的關聯(lián)性程度(而不是單獨使用高頻粘彈特性或單獨使用低頻粘彈特性)來得知特征量的變化。

操作單元35根據(jù)步驟S10中計算的關聯(lián)性來提取外部場(例如，電場、磁場或電磁場)對高頻粘彈特性(根據(jù)外部場的存在而產生的特征量)的影響(步驟S11)。已經在步驟S8至S11中計算或提取的數(shù)據(jù)可以顯示在或輸出至顯示/輸出單元38。

如上所述，粘彈特性測量裝置1在利用流變儀使測量樣本S變形的狀態(tài)下使用聲波來測量高頻粘彈特性。因此，能夠在近似地反映出測量樣本S的實際使用狀態(tài)的狀態(tài)下測量高頻粘彈特性。在正常行駛狀態(tài)下，例如，假設輪胎以幾Hz至100Hz的頻率來變形。因此，當測量被作為測量樣本S的輪胎或輪胎的材料的高頻粘彈特性時，通過使輪胎或輪胎的材料以幾Hz至100Hz的頻率振動，粘彈特性測量裝置1能夠更精確地測量在輪胎行駛時的高頻粘彈特性。

此外，粘彈性測量裝置1也能夠測量例如旋轉或振動的測量樣本S的低頻粘彈特性。因此，粘彈特性測量裝置1能夠計算高頻粘彈特性與低頻粘彈特性之間的關聯(lián)性，以及外部場對高頻粘彈特性的影響。

[第二實施例]

在下文中，參照附圖，將描述本發(fā)明的第二實施例。在第二實施例中，將描述使用底面反射法而不使用表面反射法來計算測量樣本S的高頻粘彈特性的示例。底面反射法是基于在入射聲波被入射至測量樣本S時由于入射聲波在測量樣本的表面反射而產生的反射聲波(在下文中，該波將被稱作第一反射聲波)，以及由于已經透射至測量樣本的與上述表面相對的表面的入射聲波的反射而產生的反射聲波(在下文中，該波將被稱作第二反射聲波)，來測量高頻粘彈特性的方法(例如，參見專利文獻1)。

圖6是示出根據(jù)第二實施例的粘彈特性測量裝置2的構造示例的框圖。根據(jù)第二實施例的粘彈特性測量裝置2與根據(jù)第一實施例的粘彈特性測量裝置1之間的不同在于：在根據(jù)第二實施例的粘彈特性測量裝置2中還額外設置有反射構件39。由于粘彈特性測量裝置2的其它組件與第一實施例中的組件相似，所以將省略對它們的描述。

反射構件39以這樣的方式來設置：使得反射構件39與測量樣本S的與測量樣本S的入射聲波入射的表面相對的表面(即，與延時構件26和換能器25相對的表面)接觸。具體地說，反射構件39的與測量樣本S接觸的表面平行于延遲構件26的與測量樣本S接觸的表面。反射構件39設置在測量樣本S與環(huán)形板22之間。在該示例中，反射構件39被固定至環(huán)形板22，并根據(jù)軸21的運動而運動。例如，當軸21旋轉時，反射構件39也旋轉。因此，反射構件39將外力從軸21傳遞至測量樣本S。反射構件39和測量樣本S的端部敞開至空氣。

反射構件39通過測量者的手而運動或者通過機器自動地運動，這使得反射構件39與延時構件26之間的距離改變。已經透射到測量樣本S的內部的入射聲波在反射構件39中反射。在反射構件39中反射的第二反射聲波入射到延時構件26上。延時構件26將第二反射聲波輸出至換能器25，并且換能器25將第二反射聲波轉換為電信號并將該電信號供應至方向調整器28。方向調整器28將電信號供應至高頻放大器29。高頻放大器29放大電信號中的高頻分量并將放大后的電信號供應至處理單元15。

另外，反射構件39中的聲阻抗差大于測量樣本S中的聲阻抗差。因此，從換能器25發(fā)射的入射聲波在交界面上被有效地反射。

<計算高頻粘彈特性的方法(底面反射法)>

圖7A、圖7B和圖7C是描述使用底面反射法來計算高頻粘彈特性的方法的圖。圖7A和圖7B是示出在獲取參考值時的入射聲波的反射狀態(tài)的圖，圖7C是示出在計算測量樣本S的高頻粘彈特性時的入射聲波的反射狀態(tài)的圖。在下面的描述中使用了聲阻抗，其表示從聲波發(fā)射單元12的換能器25發(fā)射的入射聲波的傳播特性。

首先參照圖7A，將描述參考值。在延時構件26未與反射構件39和測量樣本S中的任何一個緊密接觸的狀態(tài)下，換能器25發(fā)射入射聲波。然后，換能器25接收在延時構件26與空氣之間的交界面中產生的反射聲波(在下文中，該聲波也被稱作A₀波)。為了估計由于存在延時構件26而出現(xiàn)的在初始狀態(tài)下的誤差，操作單元35通過延時構件26獲取從換能器25發(fā)射的入射聲波以作為參考值。

如已經在第一實施例中描述的，空氣中的聲阻抗遠小于延時構件26的聲阻抗以及測量樣本S的聲阻抗。因此，從換能器25發(fā)射的全部入射聲波在延時構件26與空氣之間的交界面上反射。

由換能器25接收的A₀波被表達為a₀(f)exp(iθ₀(f))。標號i表示虛數(shù)單位，標號a₀(f)表示在每個頻率下的幅值(實數(shù)值)，標號θ₀(f)是表示在每個頻率下的相位(恒等于0或大于0)。然后，操作單元35對由換能器25接收的反射聲波的時間波形執(zhí)行FFT處理，以計算在每個頻率下的幅值a₀(f)和相位θ₀(f)。

然后，將參照圖7B給出描述。在從輸入單元34接收反射構件參考命令時，操作單元35獲取反射構件39的厚度和密度的數(shù)據(jù)。該數(shù)據(jù)可以在與當發(fā)射指令被輸入的時間相同的時間從輸入單元34輸入，或者可以預先被存儲在存儲單元37中。在圖7B中示出的延時構件26中，延時構件26的與反射構件39緊密接觸的表面位于延時構件26的與換能器25緊密接觸的表面的相對側。在從換能器25發(fā)射入射聲波時，入射聲波在延時構件26與反射構件39之間的交界面上反射，這導致了反射聲波(在下文中，該波也被稱作A₁波)。另外，由于入射聲波還在反射構件39與空氣之間的交界面中反射，所以產生了另一反射聲波(在下文中該波也被稱作B₁波)。

在這種情況下，操作單元35檢測A₁波與B₁波之間的時間延遲。操作單元35根據(jù)從換能器25接收的A₁波與B₁波的時間波形來測量A₁波與B₁波之間的時間延遲ΔT_R。

當反射構件39的厚度由h_R表示并且反射構件39的密度由ρ_R表示時，反射構件39的聲阻抗Z_R如下。

Z_R＝2h_Rρ_R/ΔT_R···(13)

通過上述的討論，操作單元35基于預先獲取的反射構件39的厚度h_R和反射構件39的密度ρ_R以及測量的延遲時間ΔT_R的數(shù)據(jù)，利用表達式(13)來獲取反射構件39的聲阻抗Z_R。操作單元35執(zhí)行上述計算來計算參考值，以計算高頻粘彈特性。

然后，參照圖7C，將描述測量樣本S的高頻粘彈特性的計算。在計算測量樣本S的損失正切時，測量樣本S以這樣的方式來布置，使其一個表面與延時構件26緊密接觸并且其另一表面與反射構件39緊密接觸。在從輸入單元34接收發(fā)射聲波的指令時，操作單元35將電信號輸出至聲波信號產生單元13。根據(jù)該處理，入射聲波被發(fā)射至測量樣本S。與第一實施例類似，由于入射聲波在測量樣本S中的反射而產生的第一反射聲波和第二反射聲波被存儲在時間數(shù)據(jù)存儲器單元36中。

在從輸入單元34接收發(fā)射入射聲波的指令時，操作單元35獲取測量樣本S的厚度和密度的數(shù)據(jù)。該數(shù)據(jù)可以在與接收發(fā)射指令的時間相同的時間從輸入單元34輸入，或者可以預先存儲在存儲單元37中。

當換能器25根據(jù)驅動波形產生器27的電信號來發(fā)射入射聲波時，入射聲波在延時構件26與測量樣本S之間的交界面上反射，這導致反射聲波(在下文中，該波將也被稱作A波)的產生。另外，由于入射聲波在測量樣本S與反射構件39之間的交界面上反射，所以產生了反射聲波(在下文中，該波將也被稱作B波)。操作單元35檢測A波與B波之間的時間延遲，并且還在每個頻率下獲取A波和B波中每個的幅值和相位。更具體地說，操作單元35基于來自換能器25的時間波形來測量A波與B波之間的延遲時間ΔT。

當測量樣本S的厚度由h表示，并且測量樣本S的密度由ρ表示時，測量樣本S的聲阻抗Z如下。

Z_S＝2hρ/ΔT···(14)

使用表達式(14)，反射聲波在測量樣本S與反射構件39之間的交界面中的反射率R被表示如下。

R＝(Z_R-Z_S)/(Z_R+Z_S)＝(Z_R―2hρ/ΔT)/(Z_R+2hρ/ΔT)···(15)

通過上面的描述，基于測量樣本S的厚度h和測量樣本S的密度ρ的數(shù)據(jù)、預先已經獲取了的反射構件39的聲阻抗Z_R、以及已經測量到的延遲時間ΔT，操作單元35利用表達式(15)獲取反射聲波的反射率R。

現(xiàn)在，由換能器25接收的A波由a(f)exp(iθ_A(f))表達，由換能器25接收的B波由b(f)exp(iθ_B(f))表達，其中i表示虛數(shù)單位，a(f)和b(f)是A波和B波在每個頻率下的幅值(實數(shù))，θ_A(f)和θ_B(f)是A波和B波在每個頻率下的相位。標號θ_A(f)和θ_B(f)是等于或大于0的實數(shù)。

操作單元35讀出存儲在時間數(shù)據(jù)存儲器單元36中的A波和B波的時間波形數(shù)據(jù)，并測量第二反射聲波相對于第一反射聲波的延遲時間。另外，操作單元35對由換能器25接收的A波的時間波形執(zhí)行FFT處理，以獲取在每個頻率下的A波的幅值a(f)和相位θ_A(f)。按照相似的方式，操作單元35對由換能器25接收的B波的時間波形執(zhí)行FFT處理，以獲取在每個頻率下的B波的幅值b(f)和相位θ_B(f)。

利用A₀波、A波和B波在每個頻率下的幅值以及計算的反射率R，入射聲波的衰減系數(shù)α(f)由下面的表達式表示。

α(f)＝(1/2h)ln(R(a₀(f)²-a(f)²)/a₀(f)b(f)))···(16)

另外，利用A波和B波在每個頻率下的幅值和相位，入射聲波的相速度Vp(f)由下面的表達式表示。

V_P(f)＝2h×2πf/(θ_B-θ_A+2πfΔT+2Nπ)···(17)

這里，N是任意正數(shù)。

利用由上面的表達式導出的衰減系數(shù)α(f)和相速度Vp(f)，可以由下面的表達式來表示損失正切tanδ(f)。

tanδ(f)＝α(f)×Vp(f)/πf···(18)

此外，存儲彈性模量E’(f)和損失彈性模量E”(f)可以由下面的表達式來表示。

E’(f)＝ρVp²(f)···(19)

E”(f)＝2αρVp³(f)/ω＝αVp(f)E’(f)/πf···(20)

操作單元35執(zhí)行表達式(16)至(20)的計算來計算測量樣本S的高頻粘彈特性。操作單元35還將已經被計算了的測量樣本S的高頻粘彈特性輸出至顯示/輸出單元38。

圖8A和圖8B是示出粘彈特性測量裝置2的處理的一個示例的流程圖。在下面的描述中，參照圖8A和圖8B，將描述粘彈特性測量裝置2的整體處理。

由于圖8A中的步驟S1至S6與圖5A中的步驟S1至S6相同，所以將省略對它們的描述。

在圖8A的步驟S12中，計算作為測量樣本S的聲學特性的衰減系數(shù)α(f)和相速度Vp(f)。已經在上面陳述了該計算聲學特性的方法。在圖8A的步驟S8中，操作單元35基于衰減系數(shù)α(f)和相速度Vp(f)來計算測量樣本S的高頻粘彈特性。測量樣本S的低頻粘彈特性的計算與圖5A中的步驟S8相似。

由于圖8A和圖8B的步驟S7至S11與圖5A和圖5B的步驟S7至S11的處理相似，所以將省略對它們的描述。如上所述，即使在使用底面反射法時，也可以在流變儀使測量樣本S變形的狀態(tài)下使用聲波來測量高頻粘彈特性。

[第三實施例]

在下文中，參照附圖，將描述本發(fā)明的第三實施例。在第三實施例中，將描述利用透射法(不是表面反射法也不是底面反射法)來計算測量樣本S的高頻粘彈特性的示例。在透射法中，分別地設置發(fā)射入射聲波的換能器和接收透射聲波的換能器(參見例如專利文獻1)。

圖9是示出根據(jù)第三實施例的粘彈特性測量裝置3的構造示例的框圖。根據(jù)第三實施例的粘彈特性測量裝置3與根據(jù)第一實施例的粘彈特性測量裝置1的不同之處在于，根據(jù)第三實施例，在粘彈特性測量裝置3中新設置了換能器40，并且未設置延時構件26和方向調整器28。由于粘彈特性測量裝置3的其它組件與第一實施例中的其它組件相似，因此將省略對它們的描述。

換能器40設置為使得其在與接觸換能器25的表面相對的那側處接觸測量樣本S的表面。更具體地說，換能器40的接觸測量樣本S的表面與換能器25接觸測量樣本S的表面平行。換能器40設置在測量樣本S與環(huán)形板22之間。換能器40將驅動波形產生器27中產生的驅動波形的電信號轉換為聲波。轉換后的聲波被發(fā)射至測量樣本S。在聲波被入射之后，已經透射測量樣本S的聲波(透射聲波)被輸入到換能器25。由換能器25執(zhí)行的處理與第一實施例中的處理相同。

另外，由驅動波形產生器27產生的驅動波形的電信號還被輸出至A/D轉換單元31。A/D轉換單元31執(zhí)行電信號的A/D轉換。已經被A/D轉換的電信號被存儲在時間數(shù)據(jù)存儲器單元36中。根據(jù)該處理，入射聲波的時間波形數(shù)據(jù)被存儲在時間數(shù)據(jù)存儲器單元36中。另外，與第一實施例相似，透射聲波的時間波形數(shù)據(jù)也被存儲在時間數(shù)據(jù)存儲器單元36中。

在第三實施例中，當測量者將發(fā)射入射聲波的指令輸入至輸入單元34時，入射聲波被發(fā)射至測量樣本S。該過程的細節(jié)已經在上面陳述。時間數(shù)據(jù)存儲器單元36存儲入射聲波的時間波形數(shù)據(jù)和透射聲波的時間波形數(shù)據(jù)。操作單元35讀出存儲在時間數(shù)據(jù)存儲器單元36中的入射聲波的時間波形數(shù)據(jù)以及透射聲波的時間波形數(shù)據(jù)，并對已經被讀出的兩個時間波形數(shù)據(jù)執(zhí)行FFT處理。根據(jù)該處理，操作單元35獲取每個頻率下的幅值和相位。接下來，操作單元35在每個頻率下比較入射聲波和透射聲波中的每個的幅值和相位，以計算測量樣本S的高頻粘彈特性。然后，操作單元35將已經被計算的測量樣本S的高頻粘彈特性輸出至顯示/輸出單元38。由于由粘彈特性測量裝置3的各個元件執(zhí)行的其它處理與第一實施例中的處理相似，所以將省略對它們的描述。粘彈特性測量裝置3可以具有換能器25發(fā)射入射聲波而換能器40接收透射聲波的構造。

在下面的描述中，將描述利用第一至第三實施例中描述的方法來通過流變儀單元11執(zhí)行的測量示例。

[測量示例1]

流變儀單元11能夠以預定的頻率使測量樣本S圍繞旋轉軸旋轉。該旋轉軸是與入射聲波被發(fā)射的方向平行的軸(例如，軸21)。根據(jù)該配置，測量樣本S以預定的頻率沿著垂直于入射聲波被發(fā)射的方向的方向旋轉。以這種方式，在測量樣本S中會發(fā)生扭轉形變。

[測量示例2]

流變儀單元11將拉伸力或壓縮力施加至測量樣本S，從而在測量樣本S中發(fā)生形變(拉伸或壓縮)。另外，流變儀單元11可以通過以預定的周期使測量樣本S振動來沿著一個方向以預定的周期產生形變(拉伸或壓縮)。流變儀單元11可以使測量樣本S沿著平行于入射聲波被發(fā)射的方向以預定的頻率振動。被施加的拉伸力或壓縮力的方向平行于入射聲波被發(fā)射的方向。

[測量示例3]

圖10A至圖10C是示出在彎曲力被施加到測量樣本S的情況下測量高頻粘彈特性的示例的圖。圖10A是示出利用表面反射法測量高頻粘彈特性的情況的圖，圖10B是示出利用底面反射法測量高頻粘彈特性的情況的圖，圖10C是示出利用透射法測量高頻粘彈特性的情況的圖。圖10A至圖10C僅示出了換能器和測量樣本S周圍的組件，而沒有示出其它組件。在圖10A和圖10B中，入射聲波從底表面至頂表面入射，在圖10C中，入射聲波從頂表面至底表面入射。

在圖10A至圖10C中，負載沿著箭頭X的方向從點P1以預定的周期被施加到測量樣本S。即，將朝向橫向方向(在圖10A至圖10C中的向左側的方向)的力施加到測量樣本S。另外，測量樣本S在點P2和P3處被支撐。點P2和P3在相對于測量樣本S與點P1相對的那側上(即，在圖10A至圖10C中的左側上)與測量樣本S接觸。點P2接觸測量樣本S的端部附近的部分，點P3接觸測量樣本S的與點P2接觸的部分相對的另一端部附近的部分。點P2和P3防止整個測量樣本S沿橫向方向移動。根據(jù)該構造，僅測量樣本S的在點P1周圍的部分沿著以預定周期施加的應力的方向被彎曲。因此，能夠在測量樣本中引起彎曲變形。通過沿箭頭X的方向從點P1以預定的周期向測量樣本S施加力(施加正弦波振動)，僅點P1周圍的部分能夠沿著以預定周期施加的應力的方向被彎曲。

[測量示例4]

圖11是示出當測量樣本S圍繞旋轉軸以預定的頻率旋轉并且電場被施加到測量樣本S時，高頻彈性特性的測量示例的圖。在圖11中，利用表面反射法來測量高頻粘彈特性，并且入射聲波在圖11中從頂部向底部入射。圖11僅示出了換能器和測量樣本S周圍的組件，而沒有示出其它組件。測量示例4中的測量樣本S的一個示例是電流變(ER)流體、液晶或壓電材料。

在圖11中，電極41設置在環(huán)形板22與測量樣本S之間，電極42設置在延時構件26與測量樣本S之間。當施加從電極41到電極42的電場E時，電場沿著平行于發(fā)射聲波被發(fā)射的方向施加到測量樣本S。流變儀控制器10能夠調節(jié)將被施加到電極41和42的電場的強度。電極41和42以及流變儀控制器10形成電場施加單元。當通過處理單元15的輸入單元34來指定由測量者施加的電場的強度時，操作單元35獲取信息。操作單元35基于已經獲取的關于電場強度的信息來控制流變儀控制器10，以使流變儀控制器10將電場的強度調節(jié)為指定的強度。根據(jù)上面的處理，能夠通過改變將被施加到測量樣本S的電場的強度來測量高頻粘彈特性。當測量樣本S為ER流體時，根據(jù)來自外部場的電場而改變粘性，由此能夠通過改變電場的強度來獲取不同的高頻粘彈特性的數(shù)據(jù)。

在測量示例1中，代替以預定頻率的旋轉或振動，可以將隨機的旋轉或振動施加至測量樣本S。然而，如上所述，為了計算低頻粘彈特性，優(yōu)選地以預定的頻率將正弦波旋轉或正弦波振動施加至測量樣本S。

在測量示例4中，通過布置磁體以代替電極，能夠通過向測量樣本S施加磁場來測量高頻粘彈特性。在這種情況下，測量樣本S的一個示例為磁流變(MR)流體。此外，通過布置發(fā)射無線電波的無線電波發(fā)射源來代替電極，可以在向測量樣本S發(fā)射無線電波的狀態(tài)下測量高頻粘彈特性。在示例4中，測量樣本S可以不被旋轉，或者使測量樣本S振動、拉伸或壓縮的變形可以被施加到測量樣本S。

在測量示例1中，測量樣本S圍繞平行于入射聲波被發(fā)射的方向的旋轉軸來旋轉。然而，旋轉軸可以不平行于入射聲波被發(fā)射的方向。即，入射聲波的發(fā)射方向與旋轉軸可以形成預定的角度。以相似的方式，在測量示例2中，拉伸力或壓縮力的施加方向可以不與入射聲波被發(fā)射的方向平行。同樣地在測量示例3中，彎曲力被施加的方向可以不垂直于入射聲波被發(fā)射至測量樣本S的方向。同樣地在測量示例4中，電場被施加的方向可以不平行于發(fā)射聲波被發(fā)射的方向。

如上所述，可由測量者設置測量示例1至測量示例4中的旋轉和振動的參數(shù)。另外，可以適當?shù)亟M合出測量示例1至測量示例4中示出的測量樣本S的修改形式。

[第四實施例]

在第二實施例中，利用底表面發(fā)射發(fā)來計算測量樣本S的高頻粘彈特性。由于反射構件39和測量樣本S在空氣中彼此接觸，所以由于流變儀單元11的旋轉導致的離心力，測量樣本S可能被分散或者空氣泡可能被混入至測量樣本S中。特別地，當測量樣本S為液體時，可發(fā)生測量樣本S的變形。測量樣本S的這種變形可能導致測量樣本S的測量值的誤差，從而可能無法精確地測量低頻粘彈特性和高頻粘彈特性。

在第四實施例中，為了解決上述問題，反射構件39和測量樣本S被封裝，從而即使在離心力被施加到測量樣本S時，也能夠抑制測量樣本S的變形。

圖12是示出在測量樣本S為液體的情況下的粘彈特性測量裝置4的構造示例的框圖。在圖12中，殼體結構50在其內部基本無空氣的狀態(tài)下封裝環(huán)形板22、反射構件39和測量樣本S，這防止使空氣進入到反射構件39與測量樣本S之間的空間。反射構件39與延時構件26相對，測量樣本S插入在它們之間。由于粘彈特性測量裝置4的其它組件與粘彈特性測量裝置2的組件相似，所以將省略對它們的描述。因此，當流變儀單元11旋轉并產生離心力時，測量樣本S被保持為封裝在殼體結構50中，從而能夠抑制測量樣本S的變形。

另外，在第四實施例中，將進一步提出用于計算入射聲波的衰減系數(shù)α的另一種方法。圖13A至圖13C是用于描述使用底表面反射法來計算高頻粘彈特性的方法的圖。圖13A是示出在未設置測量樣本S和反射構件39的狀態(tài)下將聲波入射到延時構件26上的情況的圖。圖13B是示出在未設置反射構件39的狀態(tài)下將聲波入射在測量樣本S上的情況的圖。另外，圖13C是示出在設置了反射構件39的狀態(tài)下將聲波通過延時構件26入射到測量樣本S上的情況的圖。

在圖13A至圖13C中，延時構件26的聲阻抗由Z_B表示，測量樣本S的聲阻抗由Z_S表示。另外，在下面的計算中，忽略了聲波在延時構件26與測量樣本S之間的交界面中的衰減、延時或多重反射的影響。

從延時構件26到測量樣本S的入射聲波的復合反射率R_BS可以被表達為如下所示的利用Z_B和Z_S的表達式。

R_BS＝(Z_S-Z_B)/(Z_S+Z_B)···(21)

通過表達式(21)，聲阻抗Z_S可以被表達如下。

Z_S＝Z_B·(1+R_BS)/(1-R_BS)···(22)

將在延時構件26與空氣之間的交界面中產生的反射聲波(A₀波)與在延時構件26與測量樣本S之間的交界面產生的反射聲波(A波)進行比較。當A₀波由下面的表達式表示

A₀＝a₀·exp(iθ₀)···(23)

并且A波由下面的表達式表示時，

A＝a·exp(iθ_A)···(24)

復合反射率R_BS可以由下面的表達式表示。

R_BS＝-(A/A₀)＝(a·exp(iθ_A))/(a₀·exp(iθ₀))···(25)

現(xiàn)在，通過將幅值分量與相位分量分開，將如下地定義復合反射率R_BS。

R_BS≡-|R_BS|exp(-iθ_BS)···(26)

幅值分量|R_BS|和相位分量θ_BS為下面的值。

|R_BS|＝a/a₀···(27)

θ_BS(f)＝θ₀-θ_A···(28)

下面，將討論在設置有反射構件39的狀態(tài)下使聲波入射到測量樣本S的情況。在該情況下，在測量樣本S與反射構件39之間的交界面中產生的反射聲波(B波)由下面的表達式表達。

B＝b·exp(iθ_B)···(29)

此外，將根據(jù)測量樣本S的聲阻抗Z_S與反射構件39的聲阻抗Z_R之間的差來確定的入射聲波從測量樣本S到反射構件39的復合反射率定義為R_SR?，F(xiàn)在，B波由下面的表達式表達。

b＝a₀·R_SR·T_BS·T_SB·exp(-2αh)···(30)

現(xiàn)在，h是測量樣本S的厚度，表達式(30)中的項exp(-2αh)是指示測量樣本S導致的衰減的項。另外，表達式(30)中的T_BS是從延時構件26到測量樣本S的透射率，T_SB是從測量樣本S到延時構件26的透射率，T_BS和T_SB將被限定如下。

T_BS≡1-R_BS···(31)

T_SB≡1-R_SB＝1+R_BS···(32)

R_SB≡-R_BS···(33)

在這種情況下，利用表達式(27)、(31)和(32)，獲得了下面的表達式。

T_BS·T_SB＝(1-R_BS)·(1+R_BS)＝1-R_BS²＝1-(a/a₀)²＝(a₀²-a²)/a₀²···(34)

因此，通過將表達式(34)代入到表達式(30)中，入射聲波的衰減系數(shù)α(f)被計算如下。

α＝(1/2h)·ln(R_SR·((a₀²-a²)/a₀·b)···(33)

該結果與表達式(16)的結果相同。

當延時構件26的聲阻抗Z_B以及反射構件39的聲阻抗Z_R為相同的值或基本相同的值時(在計算時，該值可以被認為是相同的)，利用表達式(21)和(31)獲得了下面的表達式。

R_SR＝R_SB＝-(Z_S-Z_B)/(Z_S+Z_B)＝-R_BS···(34)

利用表達式(27)，獲得了下面的表達式。

R_SR＝-R_BS＝|R_BS|exp(-iθ_BS)···(35)

在由于表達式(35)中的相位分量可以忽略而僅考慮實數(shù)部分時，實數(shù)部分由下面的表達式表達。

R_SR＝-a/a₀···(36)

因此，衰減系數(shù)α(f)可以由下面的表達式表達。

α(f)＝(1/2h)·ln((a²-a₀²)a/a₀²·b)···(37)

如上所述，當延時構件26的聲阻抗Z_B以及反射構件39的聲阻抗Z_R為相同的值時，可以在不獲取復合反射率R_SR的情況下計算衰減系數(shù)α，從而能夠更容易地計算衰減系數(shù)α。

即使在如第二實施例中所描述的反射構件39與測量樣本S未被封裝的情況下，也可以進行上述計算。

另外，即使在測量樣本S是固體的情況下，與圖12中示出的情況相似，可以封裝反射構件39和測量樣本S。圖14是示出在測量樣本S為固體的情況下的粘彈特性測量裝置4的構造示例的框圖。在圖14中，殼體結構51封裝環(huán)形板22、反射構件39以及測量樣本S。另外，測量樣本S的與反射構件39的表面相對的表面是與測量樣本S的與延時構件26相對的表面相對的表面。殼體結構51填充有液體L(例如水)，其防止空氣進入到反射構件39與測量樣本S之間的空間。

如圖12和圖14中所示，為了確實地防止空氣進入到反射構件39與測量樣本S之間的空間，優(yōu)選地使流變儀單元11和聲波發(fā)射單元12的垂直軸朝向側面，使得對應于流變儀單元11和聲波發(fā)射單元12被布置的方向的軸相對于重力方向形成一定角度(優(yōu)選地為垂直的角度)。換言之，從換能器25傳播至測量樣本S并然后在反射構件39中反射的聲波優(yōu)選地相對于重力方向形成一定角度(優(yōu)選地為垂直的角度)，而不與重力方向平行。因此，即使空氣被混入到圖12中示出的液態(tài)測量樣本S或者混入到圖14中的液體L中時，混入的空氣不會在反射構件39與測量樣本S彼此接觸的表面周圍聚集，從而能夠確實地防止空氣進入到反射構件39與測量樣本S之間的空間。

如上所述，在根據(jù)第一至第四實施例的粘彈特性測量裝置中，能夠測量在測量樣本S被嚴重變形時的高頻粘彈特性的性能。如上所述，當測量在使用過程中變形的諸如橡膠或汽車輪胎的材料的高頻粘彈特性時，可以在適當?shù)胤从吵鰧嶋H使用狀態(tài)的狀態(tài)下測量高頻粘彈特性。具體地說，當測量樣本以低頻率旋轉或振動時，可以在原位同時測量低頻粘彈特性的性能和高頻粘彈特性的性能。因此，能夠比較低頻和高頻的粘彈特性以及它們的扭曲依存性關系。

雖然低頻為例如大約10Hz的頻率而高頻為例如大約1MHz至100MHz的頻率，但是頻率的范圍不限于此。在通過粘彈特性測量裝置測量生物反應等的時候，例如，在將應力施加到樣本的狀態(tài)下，測量低于1MHz的頻率(作為高頻)的粘彈特性可以是有效的。在該情況下，優(yōu)選的高頻為來自“波長的有效性”的大約10kHz至100MHz。“波長的有效性”表示由于當用于測量的聲波的波長變得更長時樣本的傳播長度需要增大以區(qū)分將被測量的波形，所以聲波的頻率和波長存在限制。另外，在大地、地理、地震等的研究中，通過在低頻應力被施加到樣本的狀態(tài)下檢測高頻的傳播來測量粘彈特性。在該情況下，優(yōu)選的高頻為來自“波長的有效性”的大約10kHz至100kHz。另外，當測量化學反應過程時，在將低頻應力施加到樣本的狀態(tài)的過程中通過檢測高頻的傳播來測量粘彈特性。在這種情況下，優(yōu)選的高頻為來自“波長的有效性”的大約10kHz至100MHz。

圖15是示出在具有粘彈特性的測量樣本中的扭曲與應力之間的關系的一個示例的曲線圖。在圖15中，曲線圖的水平軸表示扭曲，曲線圖的垂直軸表示應力。另外，在圖15中，(a)示出了通過使用超聲波的測量覆蓋的測量范圍，(b)示出了通過使用流變儀的測量覆蓋的測量范圍。(a)中的測量范圍是在扭曲和應力小的狀態(tài)下，(b)中的測量范圍是在扭曲和應力大的狀態(tài)下。在根據(jù)本發(fā)明的粘彈性測量裝置中，可以既測量范圍(a)又測量范圍(b)。

圖16是示出在具有粘彈特性的測量樣本中的頻率與粘彈特性之間的關系的一個示例的曲線圖。在圖16中，曲線圖的水平軸表示頻率，曲線圖的垂直軸表示粘彈特性。另外，在圖16中，(a)示出了通過使用超聲波的測量覆蓋的測量范圍，(b)示出了通過使用流變儀的測量覆蓋的測量范圍。測量范圍(a)表示當頻率和粘彈特性大時的粘彈特性，測量范圍(b)表示當頻率和粘彈特性小時的粘彈特性。在根據(jù)本發(fā)明的粘彈性測量裝置中，可以既測量范圍(a)又測量范圍(b)。

當測量樣本S是例如面團或橡膠的材料，并且在通過向測量樣本S施加旋轉或振動來使測量樣本被混合的狀態(tài)下在化學處理中執(zhí)行諸如聚合的化學反應時，上述粘彈特性測量裝置能夠測量粘彈特性隨時間的變化。另外，反應通常從測量樣本S的表面開始進行。因此，假設測量樣本S的表面物理性質(表面上的粘彈特性)與測量樣本S的本體的物理性質(整體粘彈特性)不同。測量樣本S的表面物理性質被計算為例如使用表面反射法的測量(具體地說，使用超聲波的測量)的結果。另外，測量樣本S的本體的物理性質被計算為當使用流變儀使測量樣本S變形時作用在測量樣本S上的應力以及測量樣本S的扭曲的測量結果。因此，通過比較這些粘彈特性的數(shù)據(jù)，能夠適當?shù)卮_定反應進程。另外，在測量高頻粘彈特性時，可以使用合成孔徑方法來通過計算機斷層掃描(CT)檢查測量樣本S，從而可以立體地了解測量樣本S的物理性質。合成孔徑方法表示當通過超聲波來進行測量時，利用相陣列系統(tǒng)來虛擬地合成測量樣本S的剖面圖像的技術。通過這樣的技術，能夠確定面團或橡膠的揉捏的最佳程度。

另外，在第一至第四實施例中，粘彈特性測量裝置包括流變儀與高頻粘彈特性測量裝置彼此結合的功能。因此，能夠測量在相同或不同的扭曲下的低頻粘彈特性和高頻粘彈特性。因此，當測量樣本S為橡膠(輪胎的材料)時，當施加到橡膠的負載小(由流變儀單元11施加到橡膠的扭曲小)時，能夠通過測量例如在低頻下的橡膠的損失正切tanδ來測量橡膠的滾動阻力的大小。另外，當施加到橡膠的負載大(由流變儀單元11施加到橡膠的扭曲大)時，通過測量在低頻下的橡膠的損失正切tanδ，能夠測量橡膠的干抓地力(dry grip)的大小。另外，當施加到橡膠的負載大(由流變儀單元11施加到橡膠的扭曲大)時，通過測量高頻下的橡膠的損失正切tanδ，能夠測量橡膠的濕抓地力(wet grip)的大小。更具體地，通過從設置在卡盤設備中的換能器25向橡膠發(fā)送和接收超聲波并同時通過流變儀單元11向橡膠施加扭曲應力，可以測量高頻下的損失正切tanδ。

上面陳述的橡膠的滾動阻力和抓地力(干抓地力和濕抓地力)是改變輪胎的燃料經濟性的參數(shù)。通過測量這些參數(shù)，能夠有效地或整體地評估負載敏感的智能材料，其中該材料由于負載產生的扭矩而自身改變從而具有最優(yōu)的性質。

總體來講，當用于降低輪胎的燃料經濟性的目的，在施加大的負載的狀態(tài)下降低橡膠的低頻損失正切tanδ時，在施加大的負載的狀態(tài)下橡膠的高頻損失正切tanδ也被降低。因此，在所謂的燃料高效輪胎中，濕抓地性的性能降低。

通過類比如佩恩效應中可見的粘彈特性具有扭曲依存性的現(xiàn)象，在施加大的負載(大的扭曲)的橡膠中，可以使損失正切tanδ比初始值大(即，可以改善輪胎的性能)。具體地說，通過應用團聚體(橡膠中含有的填料顆粒的團聚體)的取向不會由于負載扭曲而不可逆地改變且團聚體的取向臨時地斷開或移動的構造，橡膠的粘彈特性可以根據(jù)負載(扭曲)的值而改變。該橡膠的側鏈的分子量以及端基(terminal)的分子質量是與損失正切tanδ的頻率依存性相關的重要的要素。

如上所述，根據(jù)第一至第四實施例的粘彈特性測量裝置還可以不僅應用于測量低頻和高頻下的損失正切tanδ，也可以用于研究在根據(jù)其應用的實際使用溫度下的橡膠的滾動阻力和抓地性能的優(yōu)化。

[第五實施例]

在第一至第四實施例中，操作單元35可以利用已經被計算的測量樣本S的高頻粘彈特性來計算測量樣本S的摩擦系數(shù)。測量樣本S的摩擦系數(shù)μ(f)，其為頻率f的函數(shù)，可以利用前述的損失正切tanδ(f)和存儲彈性模量E’(f)而被表達為下面的表達式。

μ(f)＝α×E’(f)ⁿ×tanδ(f)+β···(37)

標號α(>0)和β是依輪胎的種類(例如，輪胎的材料)而改變的唯一常數(shù)，n是預定的實數(shù)(例如，n＝-1/3)。除了表達式(37)之外，獲得摩擦系數(shù)μ(f)的表達式是使用tanδ(f)的高階表達式或多項表達式。常數(shù)α和β是通過試驗等預先獲取并存儲在存儲單元37中的值。

[第六實施例]

在第六實施例中，將描述除了測量低頻和高頻粘彈特性之外，用于光學地測量測量樣本S的構造。圖17是示出根據(jù)第六實施例的粘彈特性測量裝置5的部分構造的圖。圖17示出了輪胎T(其為測量樣本S)、換能器25和延時構件26。除了粘彈特性測量裝置1的元件之外，粘彈特性測量裝置5還包括光源60、高速CCD照相機61和處理單元62。粘彈特性測量裝置5是計通過表面反射法來計算輪胎T的高頻粘彈特性的裝置。由于粘彈特性測量裝置5的其它組件與粘彈特性測量裝置1的組件相同，因此將省略對它們的描述。

由于壓縮力被施加到輪胎T，所以輪胎T的表面T1與延時構件26的表面26A的一部分接觸。然后，輪胎T通過馬達23的驅動而旋轉并同時保持與表面26A的該部分接觸。因此，在表面T1中產生由于旋轉而產生的剪力和由于擠壓力而產生的摩擦力。輪胎T被固定以即使在其被保持旋轉時也與延時構件26保持接觸(即，輪胎T不沿前后方向移動)。另外，表面26A是延時構件26的與接觸換能器25的表面相對的表面。

光源60將測量光通過延時構件26照射至表面26A上，高速CCD照相機61通過延遲構件26檢測作為測量光在表面26A中的反射的結果而產生的的反射光。延時構件26是透明的，從而來自光源60的測量光可以在表面26A中被反射并且反射光具有能夠被高速CCD照相機61檢測的強度。

當測量光在表面26A中反射時，能夠通過調節(jié)從光源60入射到表面26A上的測量光的入射角度，來區(qū)分表面26A與輪胎T接觸的區(qū)域以及表面26A的與其它物質(在該示例中，空氣或水)接觸的區(qū)域。由于延時構件26和輪胎T(橡膠)的反射率與延時構件26和空氣或水的反射率不同，所以在延時構件26與輪胎T之間的交界面中的臨界角θ₁與在延時構件26與空氣或水之間的交界面的臨界角θ₂不同。因此，在第六實施例中，測量光的入射角被設置為在臨界角θ₁與臨界角θ₂之間，并且高速CCD照相機61檢測測量光是否在表面26A的每個區(qū)域中被反射。處理單元62基于高速CCD照相機61中的檢測的結果來識別與表面26A的每個區(qū)域接觸的物質是輪胎T還是空氣或水。照這種方式，處理單元62能夠測量輪胎T與表面26A接觸的面積。與處理單元15相似，處理單元62由例如計算機(具體地說，個人計算機)構成。

另外，通過在旋轉輪胎T的同時繼續(xù)測量輪胎T的接觸的面積，處理單元62能夠分辨輪胎T的滑動部分和輪胎T的與表面26A接觸的附著部分。雖然輪胎T的滑動部分在短的一段時間內不再與表面26A接觸，但是輪胎T的附著部分與表面26A長時間接觸，從而能夠利用輪胎T的這些部分中的每個與表面26A接觸的時間來區(qū)分滑動部分與附著部分。

如上所述，通過測量輪胎T與表面26A接觸的面積，處理單元26能夠測量輪胎T與表面26A接觸的面積與低頻和高頻粘彈特性的測量結果之間的相關性。除了測量輪胎T之外，還可以測量用于旋轉的另一物質(例如，樣本旋轉器)。此外，即使在扭矩被施加于局部滑動的范圍內而不旋轉測量樣本S的情況下，或者在簡單地使輪胎T與延時構件26接觸的情況下，按照與上述方法相似的方式，可以測量測量樣本S與延時構件26的接觸的面積與低頻和高頻粘彈特性測量結果之間的相關性。

此外，在圖17中示出的粘彈特性測量裝置5中，換能器25可以不向輪胎T發(fā)射入射聲波(用于測量高頻粘彈性)，而是可以僅執(zhí)行來自測量樣本S經由延時構件26的反射聲波的接收。已經接收到的反射聲波的數(shù)據(jù)經由轉換單元14被輸出至處理單元15?；诜瓷渎暡ǖ臄?shù)據(jù)，處理單元15能夠測量由于滑動導致的輪胎T的摩擦表面上的振動狀態(tài)。因此，粘彈特性測量裝置5能夠更適當?shù)販y量高頻粘彈特性。粘彈特性測量裝置5能夠收集表現(xiàn)出顯著特征的例如振動頻率帶、能譜或波形的數(shù)據(jù)?；谠摂?shù)據(jù)，粘彈特性測量裝置5能夠確定在摩擦力未被施加到測量樣本S時輪胎T的振動狀態(tài)是否為期望的狀態(tài)。當振動狀態(tài)為期望的狀態(tài)時，粘彈特性測量裝置5能夠測量測量樣本S的高頻粘彈特性，從而能夠使高頻粘彈性的測量條件最優(yōu)化。表面26A可以是具有依照測量的必要的表面粗糙度的摩擦表面。

本發(fā)明不限于上述實施例，并且可以在不脫離本發(fā)明的精神的情況下適當?shù)馗淖?。例如，在第一實施例中，可以不需要設置溫度檢測傳感器33。另外，在第一實施例中，除了在測量應力之前確定測量樣本S的扭曲之外，可以在測量扭曲之前確定將被施加到測量樣本S的應力。在這種情況下，設置移位檢測傳感器來代替應力檢測傳感器32。該移位檢測傳感器基于例如軸21在豎直方向上的移位來檢測測量樣本S的扭曲的數(shù)據(jù)，并將已經獲取到的扭曲的數(shù)據(jù)輸出至處理單元15。此外，應力檢測傳感器32和移位檢測傳感器可以均被設置在流變儀單元11中。另外，使測量樣本S變形的裝置不限于流變儀。

第一至第六實施例中示出的處理可以通過計算機而作為控制方法中的一種來執(zhí)行。程序可以利用任何類型的非臨時性計算機可讀介質存儲并提供至計算機。非臨時性計算機可讀介質包括任何類型的有形存儲介質。非臨時性計算機可讀介質的示例包括磁存儲介質(例如軟盤、磁帶、硬盤驅動器等)、光磁存儲介質(例如磁光盤)、光盤只讀存儲器(CD-ROM)、CD-R、CD-R/W以及半導體存儲器(例如掩膜ROM、可編程ROM(PROM)、可擦除PROM(EPROM)、閃存ROM、隨機存取存儲器(RAM)等)。可以使用任何類型的臨時性計算機可讀介質來將程序提供至計算機。臨時性計算機可讀介質的示例包括電信號、光信號和電磁波。臨時性計算機可讀介質可以通過有線通信線路(例如電線和光纖)或者無線通信線路將程序提供至計算機。

本發(fā)明基于2014年7月10日提交的日本專利申請第2014-142270號以及2015年3月6日提交的日本專利申請第2015-064921號并要求它們的優(yōu)先權，這些申請的公開內容通過引用全部包含于此。

附圖標記列表

1、2、3、4 粘彈特性測量裝置

10 流變儀控制器

11 流變儀單元

12 聲波發(fā)射單元

13 聲波信號產生單元

14 轉換單元

15 處理單元

20 驅動單元

21 軸

22 環(huán)形板

23 馬達

24 傳感器

25 換能器

26 延時構件

27 驅動波形產生器

28 方向調整器

29 高頻放大器

30 D/A轉換單元

31 A/D轉換單元

32 應力檢測傳感器

33 溫度檢測傳感器

34 輸入單元

35 操作單元

36 時間數(shù)據(jù)存儲單元

37 存儲單元

38 顯示/輸出單元

39 反射構件

40 換能器

41、42 電極

50、51 殼體結構

60 光源

61 高速CCD照相機

62 處理單元