本发明涉及压电换能器，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：
1、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。
2、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。
技术实现思路
1、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。
2、本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
3、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：
4、（1）测量压电陶瓷球壳的几何尺寸，包括开孔半径 r0、内半径 r1和外半径 r2；
5、（2）利用螺栓结构对压电陶瓷球壳进行固定夹持；
6、（3）配置基体树脂材料，倒入浸胶装置；
7、（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；
8、（5）测量柔性纤维的宽度 w和厚度 t，并计算纤维缠绕角 α；
9、（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；
10、（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；
11、（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°；
12、（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；
13、（10）利用预应力压电陶瓷球制备球形压电换能器。
14、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。
15、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 r3。
16、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.
17、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。
18、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。
19、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。
20、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：
21、①查询压电陶瓷的初始机械抗张应力极限 t θc；
22、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：
23、；
24、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：
25、；
26、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：
27、；
28、其中，为纤维在压电陶瓷球壳表面单次移动的长度；
29、⑤由纤维径向力分量 n r确定纤维张力 n，满足：
30、；
31、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。
32、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。
33、有益效果：
34、（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；
35、（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；
36、（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；
37、（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。
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：
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r3。
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tθmax之间的步骤包括：
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。
