水聽器預應力與預應力損失研究

楊碩 汪洋 徐匡

中國船舶重工集團第七一五研究所 浙江 杭州 310018

引言

水聽器能夠?qū)⑺侣曅盘栟D(zhuǎn)換為電信號，是聲吶的重要組成部分。而水聽器裝配過程中需進行預應力施加保證固化完全，通過現(xiàn)有研究可知施加預應力后容易產(chǎn)生預應力損失，嚴重的話還會對產(chǎn)品工作性能造成嚴重的影響。因此，加大對預應力與損失監(jiān)測研究隨之顯得尤為重要。針對該內(nèi)容的研究，本文將在以往研究基礎(chǔ)上，采用壓電阻抗測試對水聽器裝配過程中施加的預應力值及預應力損失進行研究，進而保證水聽器裝配的順利進行，并提高水聽器的工作性能。

1 壓電傳感器的工作原理

壓電傳感器是一種自發(fā)電式的傳感器。它在外力的作用之下，會以某些電介質(zhì)壓電效應為基礎(chǔ)，在電介質(zhì)的表面產(chǎn)生一定電荷，從而實現(xiàn)非電量測量的目的。壓電傳感器是力敏感元件，將非電物理參數(shù)轉(zhuǎn)換為力的參數(shù)后即可進行測量，例如動態(tài)壓力，振動等，但不適用于測量靜態(tài)參數(shù)。壓電效應是壓電陶瓷類材料的特有屬性，表現(xiàn)為晶體受到壓力從而使晶格發(fā)生變形，表面產(chǎn)生正電荷。

壓電傳感器由于內(nèi)阻抗較高且輸出信號非常微弱，一般情況下無法直接進行顯示、記錄。因此壓電傳感器需要測量電路的前級輸入端有足夠高的阻抗，這樣可以防止電荷的迅速泄漏從而使測量誤差變大。通過前置放大器將傳感器的高阻抗輸出變成低阻抗的輸出，并把傳感器接收的微弱信號進行放大顯示。

壓電傳感器的電壓放大器的等效電路如下圖1所示，圖2為簡化后的等效電路圖。

圖1 電壓放大器等效電路圖

圖2 電壓放大器簡化后的等效電路圖

其中，Ui為放大器的輸入電壓；C=Cc+Ci；Ua=Q/Ca。

壓電傳感器電荷放大器則是一種輸出電壓與輸入電荷量成正比的前置放大器。壓電傳感器與電荷放大器的等效電路連接如下圖3所示。

圖3 電荷放大器等效電路圖

圖中晶體受壓力產(chǎn)生電荷Q，Ca是傳感器間的電容，Cc是傳感器傳輸電纜的電容，Ci是電荷放大器的輸入電容，Cf是電荷放大器的反饋電容，如果忽略電阻Ra、Ri及Rf的影響，那么輸入到放大器的電荷量為：Qi=Q-Qf

壓電傳感器在受到一定作用力時，電荷會聚集在兩個電極的表面，電荷量相同且極性相反。此時可以把它當作一個把壓電材料作為電介質(zhì)的電容器。在實際振動系統(tǒng)的運動過程中會受到一定的阻力，阻力的方向會與運動方向相反，而阻力大小與運動速度成正比。黏性阻尼就是衡量這種阻力大小的系數(shù)，而機械阻抗的倒數(shù)稱為機械導納[1]。

如果無源網(wǎng)絡(luò)端口上電流向量與電壓向量參考的方向一致，導納可定義為：

其中導納Y的單位為S，導納是個復數(shù)，實部與虛部導納的換算公式為：

實部G：電導分量（正值）

虛部B：電納分量（可正可負）

2 壓電阻抗測試的監(jiān)測過程

針對本文研究的內(nèi)容，本文將采用一維模型對壓電陶瓷和結(jié)構(gòu)件之間的相互作用進行模擬。具體監(jiān)測實驗過程如下：①試驗設(shè)備。在試驗設(shè)備選擇上，本文將選擇WK6500B精密阻抗分析測試儀，測量壓電陶瓷電導納的一套通用夾具。設(shè)備工作頻率為9KHz，只有這樣才能在提供分析數(shù)據(jù)的同時，讓基本的阻抗精確度達到正負百分之零點零五[2]。從電壓阻抗測試角度出發(fā)可知，在不同結(jié)構(gòu)中壓電陶瓷測量頻率感應范圍有所不同。據(jù)有關(guān)研究可知，不適用于精確監(jiān)測的頻率范圍為低于4或者是高于12KHz?；诖?，在本文監(jiān)測過程中，將把所有的試驗選擇頻率范圍控制在五十到八十千赫，采用頻率點數(shù)為八百個，與此同時，因虛部導納譜對環(huán)境溫度敏感，所以監(jiān)測中將采用實部導納譜進行分析[3]。②實驗材料與試件準備。在此試驗監(jiān)測過程中，將以直徑35mm，長分別為15cm、20cm、25cm的三套結(jié)構(gòu)件作為研究對象。制作相應的應力施加夾具，設(shè)置圓孔將結(jié)構(gòu)件進行固定，方便從頂部施加應力。本次試驗將在某實驗室進行，采用專用的壓電傳感器，壓電陶瓷材料選用我所自制的，尺寸為Φ30*1mm。以上就是壓電阻抗測試監(jiān)測的過程，可見此次試驗過程中所需要準備的試驗設(shè)備與材料較多，因此，為保證試驗順利完成，就必須對設(shè)備使用加以重視。

3 測試結(jié)果

通過利用壓電阻抗測試對預應力與預應力損失進行監(jiān)測，當前，試驗測試結(jié)果主要可表現(xiàn)在：

3.1 壓電導納譜分析

根據(jù)三個結(jié)構(gòu)件各個壓電陶瓷的壓電導納可以了解到，三個結(jié)構(gòu)件的共振頻率將伴隨著預應力值的提升而增加。隨著預應力值的進一步提升，開始對結(jié)構(gòu)件進行壓縮，增加了結(jié)構(gòu)件的抗彎剛度，壓電陶瓷的導納譜也就此發(fā)生偏移。這無疑表明壓電阻抗測試可以用于結(jié)構(gòu)件預應力的監(jiān)測，能夠監(jiān)測出結(jié)構(gòu)件預應力值變化及預應力值損失。根據(jù)圖4-6結(jié)構(gòu)件的電導納圖可以了解到，壓電陶瓷的共振頻率偏移只能對結(jié)構(gòu)件預應力變化進行定性描述，甚至無法做到定量描述。之所以這樣，其原因主要在于共振頻率與預應力彼此之間有著很大的關(guān)系，要想更好的描述出共振頻率隨預應力變化而發(fā)生的變化，就必須為預應力與共振頻率之間建立一個數(shù)學公式關(guān)系，進而實現(xiàn)對預應力的預測。與此同時，在實際生產(chǎn)中，水聽器裝配完成后的預應力值并不清晰，伴隨著結(jié)構(gòu)件預應力值因疲勞等因素造成的損失，需進一步對預應力損失進行評估[4]?？傊?，本文不僅對預應力值進行預測，而且為預應力損失與相對共振頻率偏移建立了數(shù)學公式關(guān)系，預測出了預應力的具體損失。

圖4 結(jié)構(gòu)件A峰值頻段壓電陶瓷導納譜

圖5 結(jié)構(gòu)件B峰值頻段壓電陶瓷導納譜

圖6 結(jié)構(gòu)件C峰值頻段壓電陶瓷導納譜

3.2 數(shù)理統(tǒng)計分析

在此監(jiān)測過程中為了再一次驗證壓電阻抗技術(shù)用于監(jiān)測結(jié)構(gòu)件預應力值的有效性，本文在研究中還應用了數(shù)理統(tǒng)計指標對整個電導納信號在頻率范圍中的變化進行評判。該過程中主要的評判變化指標為RMSD，公式如下：

式中：yk為壓電導納譜；導納譜的采樣點數(shù)目主要為N；初始狀態(tài)下的導納譜為i；其他狀態(tài)下的導納譜為j。另外，根據(jù)以rmsd為指標獲取到的曲線擬合圖以及rsmd偏移為指標獲取到的曲線擬合圖可了解到，三個結(jié)構(gòu)件的RSMD正伴隨著預應力值的不斷增加而增加，RSMD偏移值也在隨著預應力損失的不斷提升而提高。由此可見，不管是預應力值，還是RSMD都屬于強烈的線性關(guān)系[5]。也正是因為此，所以在此次監(jiān)測過程中我們可以通過壓電導納譜進行梳理統(tǒng)計分析，并且可以在分析的過程中獲取到結(jié)構(gòu)件的預應力值和預應力損失。

4 結(jié)束語

總而言之，有關(guān)預應力損失等各方面的研究已經(jīng)成為我國近年來關(guān)注的重點。通過上述對該方面內(nèi)容的分析可知，本文主要采用的是壓電陶瓷對不同結(jié)構(gòu)件施加預應力時的壓電阻抗進行分析。通過上述分析我們可以得出以下幾點結(jié)果，首先，伴隨著結(jié)構(gòu)件預應力值的改變，監(jiān)測獲取到的壓電導納也將發(fā)生有規(guī)律的變化，而壓電導納譜峰值對應的共振頻率也將隨著預應力值提升而提升。其次，在應用RSMD數(shù)理統(tǒng)計指標對整個壓電導納譜在頻率范圍當中的改變進行評判的時候可清楚了解到，預應力與RSMD之間呈正向比例關(guān)系，也就是預應力的提升，RSMD也會隨之提升。