實驗名稱：壓電換能器預應力調(diào)控與性能測試實驗

研究方向：該研究以圓管、球形預應力壓電換能器為對象，聚焦預應力定量施加，借機電等效模型與有限元優(yōu)化結構，建纖維纏繞-預應力映射關系實現(xiàn)精準控制；探究預應力對壓電陶瓷電學性能的影響以明確最佳預應力、提升聲輻射性能，同時研究其熱穩(wěn)定性與發(fā)熱機制，為相關領域應用提供支撐。

實驗目的：實現(xiàn)圓管與球形壓電換能器預應力的定量施加與精準控制，明確最佳預應力參數(shù)；探究預應力對壓電陶瓷電學性能及換能器聲輻射性能的影響規(guī)律；研究預應力換能器熱穩(wěn)定性與發(fā)熱機制，為其在混凝土基樁檢測、海洋水聲探測等場景的可靠應用提供實驗依據(jù)。

測試設備：本研究使用的儀器包括信號發(fā)生器、功率放大器、紅外熱成像儀、四通道溫度儀、示波器、電子扭矩扳手、多功能靜態(tài)應變儀。

實驗過程：實驗中先選取PZT-4、PZT-5壓電陶瓷及玻璃纖維等原料，通過螺栓結構施加單軸預應力，控制纖維張力、層數(shù)等參數(shù)以纖維纏繞工藝施加二維/三維徑向預應力，制備圓管與球形預應力壓電換能器；隨后搭建測試系統(tǒng)，用信號發(fā)生器生成激勵信號，經(jīng)功率放大器放大后驅動換能器，結合E4990A阻抗分析儀測諧振頻率、介電損耗等電學性能，借助基樁聲波檢測儀、標準水聽器測聲速、聲源級等聲輻射性能，同時用紅外熱成像儀、溫度儀監(jiān)測換能器連續(xù)工作時的溫度變化；還通過COMSOLMultiphysics構建有限元模型，仿真應力分布與諧振特性，對比理論計算與實驗結果，驗證預應力控制精度及性能提升效果。

圖1壓電陶瓷和換能器連續(xù)工作溫度和熱分布監(jiān)測平臺

圖2在不同單軸預應力作用下,壓電陶瓷圓管表面溫度隨時間的變化

實驗結果：為明確預應力對壓電陶瓷圓管表面熱分布的影響，以2.86W輸入電功率，對單軸預應力0MPa、9.36MPa、18.72MPa的壓電陶瓷圓管，連續(xù)工作5min后用紅外熱成像儀測其表面溫度分布。壓電陶瓷圓管產(chǎn)熱會使自身表面升溫，并傳導至相鄰尼龍墊片與空氣；因空氣導熱最差（熱導率0.026W/(m·K)），尼龍墊片導熱（0.13~0.25W/(m·K)）弱于壓電陶瓷（2~3W/(m·K)），尼龍墊片溫度更高且呈峰值。隨單軸預應力增至18.72MPa，尼龍墊片最高溫從34.5℃升至36.8℃，與環(huán)境溫差達15℃；因預應力增大使陶瓷介電損耗增加、電能更多轉熱能，換能器最高溫較無預應力時高2.3℃，說明單軸預應力會加劇陶瓷圓管發(fā)熱。

圖3不同單軸預應力作用下連續(xù)工作5min,壓電陶瓷圓管表面的紅外熱成像圖

圖4單軸預應力壓電陶瓷圓管連續(xù)工作前后電導譜的變化

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圖：ATA-2088高壓放大器指標參數(shù)

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審核編輯 黃宇