CN117922048A - 一种基于湿法纤维缠绕的球形压电换能器预应力定量控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于湿法纤维缠绕的球形压电换能器预应力定量控制方法,包括根据预期机械抗张应力极限计算压电陶瓷球表面的界面压强和纤维产生的径向力,进而计算出定量施加预应力所需的纤维张力,通过丝嘴和压电陶瓷球壳芯模复合旋转在压电陶瓷球壳表面包覆预应力纤维,最终提高球形压电换能器的输入电功率极限。本发明利用湿法纤维缠绕在压电陶瓷球壳表面包覆纤维层,通过控制纤维张应力实现球形压电换能器预应力的定量控制,具备生产效率高、应力一致性好、适用范围广等优势。
Description
技术领域
本发明涉及压电换能器技术领域,具体涉及一种基于湿法纤维缠绕的球形压电换能器预应力定量控制方法。
背景技术
压电换能器是声学设备的核心器件,其性能直接决定了整个声学系统的稳定性和可靠性。球形压电换能器具有三维全指向性,在水声探测、导航和通信等领域具有重要的应用价值。球形压电换能器由于采用呼吸振动模态,其发射性能相对较弱。通常,球形压电换能器的发射性能与输入电功率呈线性关系,输入电功率越大,发射信号越强。然而,压电陶瓷的机械抗张极限远低于其抗压极限,输入电功率过大易导致陶瓷开裂,致使换能器损伤或失效。这就严重限制了球形压电换能器的输入电功率极限。
通过对压电换能器施加合适的预应力以提高其输入电功率极限,是目前换能器领域通用的有效手段。但球形压电换能器具有特殊的三维曲面,无法像传统的纵向振子一样利用螺栓结构施加均匀预应力。通过柔性纤维能够实现曲面包覆,是实现球形压电换能器预应力施加是一种潜在可行的手段。公开号为CN 109928777 A的发明专利把玻璃钢裁剪成球面铺展开的形状,浸润环氧树脂胶后铺敷到压电陶瓷球表面,通过环氧固化产生的收缩力为球形压电换能器施加预应力。这种手段可以在一定范围内实现预应力的施加,但无法对预应力进行定量控制。而已有的研究表明,预应力不仅会改变压电陶瓷的机械极限,还会影响换能器的电学性能。随着预应力增大,压电换能器的谐振频率和静态电容呈现增大趋势,而阻抗逐渐降低。共振频移和电阻抗变化可能导致换能器与放大器阻抗失配,使换能器效率降低、振动振幅不稳定。综上所述,为使压电换能器的性能达到最佳,必须对预应力的大小进行定量控制。
发明内容
为克服现有技术不能实现球形压电换能器预应力定量控制的缺陷,本发明提供一种基于湿法纤维缠绕的球形压电换能器预应力定量控制方法。把压电陶瓷球壳用作纤维缠绕的内部芯模,通过机械抗张极限需求计算界面压强和纤维的径向力分量,然后调整纤维张应力实现压电陶瓷表面预应力的定量施加,有利于提高换能器的输入电功率和发射性能。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的:
一种基于湿法纤维缠绕的球形压电换能器预应力定量控制方法,包括以下步骤:
(1)测量压电陶瓷球壳的几何尺寸,包括开孔半径R 0、内半径R 1和外半径R 2;
(2)利用螺栓结构对压电陶瓷球壳进行固定夹持;
(3)配置基体树脂材料,倒入浸胶装置;
(4)柔性纤维带匀速通过导轨、浸胶辊、挤胶辊和可调刮胶刀,通过张力器拉伸后到丝嘴;
(5)测量柔性纤维的宽度w和厚度t,并计算纤维缠绕角α;
(6)根据目标机械抗张应力极限T θmax 计算压电陶瓷球表面的压强P、纤维产生的径向力分量T r 和纤维张力N;
(7)通过张力器控制纤维张力为恒定值N,丝嘴沿缠绕角所在的圆周运动,直至纤维缠绕压电陶瓷球表面一周;
(8)压电陶瓷球芯模绕轴向旋转角度,然后重复步骤(7)至压电陶瓷球芯的旋转角度累计达到360°;
(9)在旋转固化炉中完成纤维层固化,形成预应力压电陶瓷球;
(10)利用预应力压电陶瓷球制备球形压电换能器。
优选地,所述的步骤(1)中压电陶瓷球壳在轴向具有两个大小相等、高度相同的过孔,便于在纤维缠绕过程中进行轴向固定。
优选地,所述的步骤(2)中螺栓结构包括螺杆、螺母和垫片,其中螺杆穿过压电陶瓷球壳的开孔,通过垫片和螺母进行紧固,螺母和垫片的外半径为R 3。
优选地,所述的步骤(2)中螺杆和螺母的材料为不锈钢、合金钢或工具钢,垫片的材料为氟塑料、聚芳脂塑料、聚酰亚胺塑料、聚芳醚酮塑料或高温尼龙.
优选地,所述的步骤(3)中基体树脂材料由基体树脂和树脂稀释剂组成,其中基体树脂材料中树脂稀释剂的质量比为5%~10%,基体树脂为环氧树脂、不饱和聚酯树脂、酚醛树脂、聚丙烯酸树脂或聚氯乙烯树脂,树脂稀释剂为乙醇、丙酮、丁醇、聚酯树脂、亚烷基缩水甘油醚、苯基缩水甘油醚、邻甲苯基缩水甘油醚或新戊二醇二缩水甘油醚。
优选地,所述的步骤(4)中柔性纤维的种类为玻璃纤维、尼龙纤维、碳纤维或芳纶纤维。
优选地,所述的步骤(5)中柔性纤维与压电陶瓷球轴向的缠绕角α为,其中w为纤维带宽。
优选地,所述的步骤(6)中纤维张力N、界面压强P与预期机械抗张力极限T θmax 之间的步骤包括:
①查询压电陶瓷的初始机械抗张应力极限T θc ;
②根据预期机械抗张力极限T θmax 计算通过湿法纤维缠绕需要施加的切向压缩应力T θf ,满足:
;
③根据弹性力学理论计算产生切向压缩应力T θf 需要在压电陶瓷球壳外表面施加的压强P:
;
④压电陶瓷球芯模旋转一周,压电陶瓷球表面存在两层纤维。压强P与单层纤维的径向力分量N r 的关系满足:
;
其中,为纤维在压电陶瓷球壳表面单次移动的长度;
⑤由纤维径向力分量N r 确定纤维张力N,满足:
;
其中,β为纤维在压电陶瓷球壳表面单次移动的长度在压电陶瓷球中对应的角度,满足/>。
优选地,所述的步骤(8)中为压电陶瓷球芯模绕轴向旋转的角度,满足。
有益效果:
(1)本发明利用多轴纤维缠绕设备进行湿法纤维缠绕,可实现全自动化,生产效率高;
(2)本发明通过控制纤维张力,实现球形压电换能器预应力的定量施加,操作简单可行;
(3)本发明通过控制刮胶刀间隙、纤维张力和基体树脂的固化机制,可以有效控制预应力层的纤维含胶量,球形压电换能器一致性较好;
(4)本发明适用于不同类型和材料的柔性纤维和压电陶瓷球壳,应用范围广。
附图说明
图1为本发明所述的压电陶瓷球壳结构示意图;
图2为本发明所述的螺栓钳位装置结构示意图;
图3为本发明所述的基于湿法纤维缠绕的预应力施加过程示意图;
图4为本发明所述的预应力、界面压强和纤维张力之间的关系;
图5为利用本发明定量施加预应力的球形压电换能器和未施加预应力的球形压电换能器的阻抗谱线;
图6为利用本发明定量施加预应力的球形压电换能器和未施加预应力的球形压电换能器的声源级谱线随电压的变化曲线;
其中1-压电陶瓷球壳、2-连接杆、3-螺母、4-垫片、5-芯模旋转臂、6-芯模旋转臂、7-浸胶装置、8-柔性纤维、9-导轨、10-浸胶辊、11-挤胶辊、12-可调式刮胶刀、13-张力器、14-丝嘴、R 0-开孔半径、R 1-压电陶瓷球壳内半径、R 2-压电陶瓷球壳外半径、R 3-螺母外半径、α-纤维缠绕角、β-丝嘴步进对应角度、φ-压电陶瓷球芯模旋转角度、w-纤维宽度、t-纤维厚度、N-纤维张力、N r -纤维的径向力分量、P-压电陶瓷表面压强、T r -径向应力、P inmax -换能器最大输入电功率、V in -换能器输入电压、G max -换能器电导峰值。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明,但不以任何形式限制本发明。应当指出的是,对本领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明构思的前提下,还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
实施例1
一种定量控制压电陶瓷球壳表面纤维层声阻抗和径向应力的方法,该方法包括以下步骤:
(1)准备一个具有双开孔的PZT-4型压电陶瓷球壳1,其结构如图1所示。压电陶瓷球表面清洁,电极完整,测量其几何尺寸,开孔半径为R 05.0 mm,内半径R 1为42.3 mm,外半径R 2为45 mm。
(2)压电陶瓷球两侧用垫片4保护后,穿过螺杆2,并拧紧螺母3,与纤维缠绕机的芯模缠绕臂5连接,实现轴向的固定夹持,测量螺母的外半径R 3为7.5 mm。螺栓结构如图2所示。
(3)配置环氧树脂材料6,倒入浸胶装置7。
(4)如图3所示,柔性玻璃纤维带8匀速通过导轨9、浸胶辊10、挤胶辊11、可调式刮胶刀12,通过张力器13拉伸后到达丝嘴14。
(5)测量柔性纤维8的宽度w和厚度t,分别为5 mm和0.2 mm,由公式计算出压电陶瓷球的纤维缠绕角为12.8°。
(6)根据预期机械抗张极限T θmax 计算界面压强P和纤维张力N,主要步骤包括:
①查询PZT-4压电陶瓷的抗张应力极限T θc 为75 MPa;
②若目标机械抗张极限T θmax 为80 MPa,则通过湿法纤维缠绕要给压电陶瓷的抗张应力极限提高5 MPa:
③根据弹性力学理论,压电陶瓷球处于受压状态时,其张力极限增大。根据公式,计算产生5 MPa张力所需的界面压强P为0.6 MPa;
④纤维缠绕过程中,设置丝嘴控制压电陶瓷球表面的纤维每次沿圆周方向移动的弧长为1 mm,对应角度/>为1.3°。若压电陶瓷球芯模旋转一周,则压电陶瓷球表面铺满2层纤维。界面压强、径向应力分量和纤维张力的关系如图4所示。纤维的径向力分量/>为1.5 N。
⑤根据径向力分量和纤维张力的关系,进一步计算纤维张力N为66.1 N。
(7)通过张力器控制纤维张力,纤维在压电陶瓷球表面以1 mm的间隔逐渐移动,直至纤维缠绕压电陶瓷球表面一周,然后压电陶瓷球芯模旋转角度。根据公式计算压电陶瓷球芯模绕轴向的旋转角度/>为0.12°。
(8)重复步骤(7)至压电陶瓷球芯模旋转一周。
(9)旋转固化炉设定温度为110 ℃,经6小时恒温完成预应力压电陶瓷球表面的纤维层固化。
(10)分别利用传统压电陶瓷球壳和预应力压电陶瓷球制备球形压电换能器,水密层材料使用聚氨酯材料。
(11)利用keysight4900A 阻抗分析仪测量球形压电换能器和预应力球形压电换能器的阻抗谱线,如图5所示。由于通过纤维缠绕形成预应力层,并在压电陶瓷球表面施加了定量的预应力,球形压电换能器的谐振频率由19.3 kHz提高至19.4 kHz,电导峰值G max 由6.0 mS增大至6.2 mS。
(12)在消声水池中测量球形压电换能器和预应力球形压电换能器在谐振频率处的发射声源级,输入电压逐渐增大,至输出信号波形畸变时,认为球形压电换能器达到输入电压极限。如图6所示,球形压电换能器的输入电压V in 由150 V逐渐提高,至274 V时达到最大值,由计算出最大输入电功率P inmax 为450.5 W,对应声源级达到最大值201.4 dB,而预应力压电换能器在电压达到310 V,最大输入电功率P inmax 为595.8 W,对应最大声源级为202.8 dB。实验结果表明,目标机械抗张极限(80MPa)比压电陶瓷本征机械抗张极限(75MPa)提高5 MPa时,球形压电换能器的最大输入电功率提高了45.3 W。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是,本发明并不局限于上述特定实施方式,本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改,这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下,本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。
Claims (9)
1.一种基于湿法纤维缠绕的球形压电换能器预应力定量控制方法,其特征在于,包括以下步骤:
(1)测量压电陶瓷球壳的几何尺寸,包括开孔半径R 0、内半径R 1和外半径R 2;
(2)利用螺栓结构对压电陶瓷球壳进行固定夹持;
(3)配置基体树脂材料,倒入浸胶装置;
(4)柔性纤维带匀速通过导轨、浸胶辊、挤胶辊和可调刮胶刀,通过张力器拉伸后到丝嘴;
(5)测量柔性纤维的宽度w和厚度t,并计算纤维缠绕角α;
(6)根据目标机械抗张应力极限T θmax 计算压电陶瓷球表面的压强P、纤维产生的径向力分量T r 和纤维张力N;
(7)通过张力器控制纤维张力为恒定值N,丝嘴沿缠绕角所在的圆周运动,直至纤维缠绕压电陶瓷球表面一周;
(8)压电陶瓷球芯模绕轴向旋转角度,然后重复步骤(7)至压电陶瓷球芯的旋转角度累计达到360°;
(9)在旋转固化炉中完成纤维层固化,形成预应力压电陶瓷球;
(10)利用预应力压电陶瓷球制备球形压电换能器。
2.根据权利要求1所述的一种基于湿法纤维缠绕的球形压电换能器预应力定量控制方法,其特征在于,所述的步骤(1)中压电陶瓷球壳在轴向具有两个大小相等、高度相同的过孔。
3.根据权利要求1所述的一种基于湿法纤维缠绕的球形压电换能器预应力定量控制方法,其特征在于,所述的步骤(2)中螺栓结构包括螺杆、螺母和垫片,其中螺杆穿过压电陶瓷球壳的开孔,通过垫片和螺母进行紧固,螺母和垫片的外半径为R 3。
4.根据权利要求3所述的一种基于湿法纤维缠绕的球形压电换能器预应力定量控制方法,其特征在于,所述的步骤(2)中螺杆和螺母的材料为不锈钢、合金钢或工具钢,垫片的材料为氟塑料、聚芳脂塑料、聚酰亚胺塑料、聚芳醚酮塑料或高温尼龙。
5.根据权利要求1所述的一种基于湿法纤维缠绕的球形压电换能器预应力定量控制方法,其特征在于,所述的步骤(3)中基体树脂材料由基体树脂和树脂稀释剂组成,其中基体树脂材料中树脂稀释剂的质量比为5%~10%,基体树脂为环氧树脂、不饱和聚酯树脂、酚醛树脂、聚丙烯酸树脂或聚氯乙烯树脂,树脂稀释剂为乙醇、丙酮、丁醇、聚酯树脂、亚烷基缩水甘油醚、苯基缩水甘油醚、邻甲苯基缩水甘油醚或新戊二醇二缩水甘油醚。
6.根据权利要求1所述的一种基于湿法纤维缠绕的球形压电换能器预应力定量控制方法,其特征在于,所述的步骤(4)中柔性纤维的种类为玻璃纤维、尼龙纤维、碳纤维或芳纶纤维。
7.根据权利要求3所述的一种基于湿法纤维缠绕的球形压电换能器预应力定量控制方法,其特征在于,所述的步骤(5)中柔性纤维与压电陶瓷球轴向的缠绕角α为,其中w为纤维带宽。
8.根据权利要求1所述的一种基于湿法纤维缠绕的球形压电换能器预应力定量控制方法,其特征在于,所述的步骤(6)中纤维张力N、界面压强P与预期机械抗张力极限T θmax 之间的步骤包括:
①查询压电陶瓷的初始机械抗张应力极限T θc ;
②根据预期机械抗张力极限T θmax 计算通过湿法纤维缠绕需要施加的切向压缩应力T θf ,满足:
;
③根据弹性力学理论计算产生切向压缩应力T θf 需要在压电陶瓷球壳外表面施加的压强P:
;
④压电陶瓷球芯模旋转一周,压电陶瓷球表面存在两层纤维。界面压强P与单层纤维的径向力分量N r 的关系满足:
;
其中,为纤维在压电陶瓷球壳表面单次移动的长度;
⑤由纤维径向力分量N r 确定纤维张力N,满足:
;
其中,β为纤维在压电陶瓷球壳表面单次移动的长度在压电陶瓷球中对应的角度,满足/>。
9.根据权利要求1所述的一种基于湿法纤维缠绕的球形压电换能器预应力定量控制方法,其特征在于,所述的步骤(8)中为压电陶瓷球芯模绕轴向旋转的角度,满足。
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2024
- 2024-02-02 CN CN202410146197.3A patent/CN117922048A/zh active Pending
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