التطورات الجديدة للسيراميك الانضغاطي المستخدم في محولات طاقة السونار تحت الماء (2)

من أجل تحسين أداء الكشف للسونار السلبي، طورت الأبحاث هيدروفونًا متجهًا يمكنه استقبال واستخدام المعلمات العددية (ضغط الصوت) ومعلمات المتجهات (سرعة الاهتزاز) في مجال الصوت، مع الاستفادة الكاملة من المعلومات في مجال الصوت. تعد السماعات المائية الموجهة وتقنيات معالجة الإشارات المقابلة لها من بين التقنيات الجديدة التي يتم تطويرها حاليًا على المستوى الدولي. يؤدي تطبيق الهيدروفونات المتجهة في نظام SURTASS إلى حل مشكلة ضبابية الجانب الأيسر والأيمن. ويتم استخدام مصفوفة خط سحب الهيدروفونات الموجهة لدراسة الموقف وسرعة السحب وضوضاء التدفق الخاصة بالموجه المائي المتجه بشكل منهجي للكشف عن الهيدروفونات الموجهة. لقد حقق تطوير السماعات المائية المتجهة بشكل أساسي التسلسل الهيكلي والمنفعة الوظيفية التي يمكن أن تلبي المتطلبات الهندسية المختلفة. وقد بدأ عدد من الوحدات البحث في هذا المجال. وبعد عقد من البحث وإدخال التكنولوجيا، بدأوا أيضًا في التحرك نحو المرحلة العملية للهندسة. من حيث الشكل الهيكلي، يُطلق على هيدروفونات التدرج في ضغط الصوت أيضًا اسم هيدروفونات سرعة الاهتزاز، ويمكن تقسيمها إلى هيدروفونات مزدوجة لضغط الصوت، ونوع ضغط تفاضلي، ونوع كروي متجانس. ويتكون نوع الهيدروفونات مزدوجة الصوت مباشرة من هيدروفونات ضغط الصوت، والهيدروفون المتدرج لضغط الصوت من النوع الثابت يحتوي على غلاف ثابت، والمغلف المزدوج يتم تثبيت السيراميك الانضغاطي لنصف الكرة الكهرضغطية على الغلاف الخارجي، ويتم تثبيت الضغط. تتعرض اللوحة الكهربائية لاهتزاز الانحناء تحت تأثير تدرج ضغط الصوت في اتجاه سمكها. يتم وضع المكونات الحساسة في ثلاثة اتجاهات متعامدة ولها نفس مركز الطور، والذي يشكل هيدروفون متجه ثلاثي الأبعاد. بعد التكامل الهيكلي بين هيدروفون ضغط الصوت ومكبر الصوت المتجه، يصبح الكل كرويًا، ويكون الطفو في مياه البحر صفرًا. يتم إنشاء مكبر الصوت المتجه المركب ذو الاهتزاز نفسه (المشار إليه فيما يلي باسم مكبر الصوت المتجه)، وتتم معالجة إشارات الخرج الخاصة بالاثنين. لا يلمس الهيدروفون المتجه للاهتزاز المشترك الماء، ويستجيب المستشعر للنبض الإجمالي للمستشعر، مما يتطلب تركيبًا مجانيًا. على سبيل المثال، مكبر الصوت الموجه بنطاق تردد تشغيل يتراوح من 20 هرتز إلى 6000 هرتز وMp = -180 ديسيبل. بالإضافة إلى هيدروفون ناقل الاهتزاز المشترك، يوجد أيضًا نوع الضغط التفاضلي. يتلامس هيدروفون ناقل الضغط التفاضلي مع الماء المتوسط ​​ولا يستجيب للحركة الشاملة للمستشعر، ولكن أيضًا لنطاق التردد العالي. اتجاهية الموجه المائي هي على شكل جيب التمام. يمكن تحقيق شحذ الشعاع أحادي الاتجاه والدوران الإلكتروني للشعاع لتحقيق الاتجاه. يمكن أن يتراوح تردد تشغيل الموجه المائي من بضع مئات من الهرتز إلى عدة عشرات من الكيلوهرتز. بعد معالجة الإشارة، يمكن لتدفق الطاقة الصوتية قمع الضوضاء بمقدار 10-20 ديسيبل مقارنة بطاقة إشارة ضغط الصوت. يتمتع الهيدروفون الموجه الفردي بدقة توجيه تبلغ ±2° ويمكن أن تصل إلى 1° بعد معالجة خاصة.

محول السيراميك الكهرضغطي

في وقت مبكر من عام 1978، تم اقتراح مرحلة سيراميك بيزو ومادة هيكلية مرتبطة بطور البوليمر. تتميز هذه المادة بمعامل كهرضغطية هيدروستاتيكي مرتفع بشكل خاص مقارنة بالسيراميك الكهروضغطي وهي أكبر بكثير من السيراميك الكهروضغطي PZT، مما يجعلها مثالية لتطبيقات المياه العميقة. المعاوقة المميزة لها صغيرة، ومن السهل مواءمتها مع الماء، وعرض النطاق الترددي، ويمكن أيضًا تعديل خصائصها عن طريق تغيير نسبة السيراميك الضغطي. حتى الآن، تم تطوير العشرات من المواد الكهرضغطية المركبة. من بينها، تعتبر المواد المركبة ثنائية الطور 222، 123 و023، 321 بشكل عام أكثر تحويلات السونار الواعدة في المستقبل. المادة المركبة 023، المصنوعة من مادة مسحوق السيراميك والمطاط، تسمى المطاط الكهرضغطي. إنه يتمتع بنعومة ومرونة المطاط، وهو ما يعادل 20 مرة من السيراميك الكهرضغطي العادي، وهو ما يعادل PVDF. هذه المزايا تجعلها مناسبة للهيدروفونات السطحية. من السهل صنع المطاط الكهرضغطي بسمك بضعة ملليمترات، وهو ما يميزه عن PVDF. كما تم إجراء أبحاث على المواد الكهرضغطية المركبة ذات البنية النانوية. إنها عملية تتم فيها معالجة السيراميك الكهرضغطي ومن ثم غرسه في مواد كهرضغطية مركبة. هناك طريقة أخرى وهي معالجة السيراميك الكهرضغطي إلى مساحيق. ثم يتم تلبيدها وتشكيلها بمواد أخرى. هذا المجال الموضوعي قيد الدراسة حاليا. نجحت شركة Materials Systems في تطوير وحدة مكبرات الصوت المركبة واسعة النطاق بحجم قياسي يبلغ 250 × 250 ملم. كما قامت بتطوير نموذج 123 مجموعة محولات طاقة مركبة كهرضغطية للاستخدام في مجموعة طوربيد كهربائية خفيفة الوزن وقواعد صوتية. كما أنها طورت عمودًا خزفيًا بيزوًا متصلًا بـ 123 ووحدة هيدروفون لعنصر السطح المركب من الإيبوكسي، ويبلغ الحجم 100 × 180 مم، ويشكل مصفوفة خطية عريضة الوجه مكونة من 18 عنصرًا بطول مصفوفة يبلغ 1.9 مترًا وعرض 200 ملم عند 60 كيلو هرتز. حساسية النطاق العريض التالية أعلى من -190 ديسيبل والتقلب أقل من 2 ديسيبل. تثبت كل من النظرية والتجربة أن المادة المركبة يمكن أن تزيد من استجابة الانبعاثات وحساسية الاستقبال بمقدار 3 ديسيبل ~ 5 ديسيبل بسبب تأثير الشحن الفائق لمادة البوليمر. بعد إضافة الغطاء الصلب، يصبح التأثير أكثر وضوحًا ويمكن تحسينه بمقدار 10 ديسيبل.

من أجل تحسين قدرة تداخل الضوضاء المضطربة لسطح السونار الجانبي المضاد للسفن، يتم استخدام هيدروفون ذو مساحة كبيرة في سونار المصفوفة الجانبية على متن السفينة وفقًا لخصائص نصف القطر المرتبط بالضوضاء. يعتبر فيلم PVDF الكهرضغطي مادة كهرضغطية مثالية لصنع هيدروفونات ذات مساحة كبيرة. إنه خفيف الملمس، مرن، وسهل صنع شكل منحني. تم إنتاج مكبر صوت مائي واسع المساحة بطبقة PVDF تبلغ مساحتها 200 × 300 × 0.2 مم، وتبلغ حساسيته حوالي -200 ديسيبل في نطاق التردد من عدة مئات من الهرتز إلى 4 كيلو هرتز. بالإضافة إلى الأفلام الكهرضغطية PVDF، في التسعينيات، تم تطوير مادة فيلم كهرضغطية جديدة PVDF-TrFE (VF2). وهو عبارة عن بوليمر كوبوليمر متعلق بالعازل الكهربائي الشفاف يتكون من فلوريد البولي فينيلدين (PVDF) والبولي ثلاثي فلورو إيثيلين (TrFE)، وهو عبارة عن تعديل للإشعاع إلكترونيًا. تتمتع هذه المادة الجديدة بالقدرة على حل مشاكل استقرار درجة الحرارة والضغط للأفلام الكهرضغطية PVDF ومشاكل الوضع الجانبي، كما تم تحسين الحساسية قليلاً.

من عام 1997 إلى عام 2000، قام معهد السيراميك وجامعة Xi'an Jiaotong على التوالي بتطوير نوع من المواد البلورية الكهربائية ذات الجهد الحديدي المريح، والتي يشار إليها باسم PMN2PT وPZN2PT. تتمتع هذه المادة بتحسن أكبر في كثافة تخزين الطاقة، ومعامل الاقتران الكهروميكانيكي، وثابت العزل الكهربائي وما شابه ذلك من السيراميك الكهرضغطي العادي، ولها استقطاب متبقي، ولا تتطلب انحيازًا للتيار المستمر. يتم إعطاء معلمات أداء PMN2PT. لقد تم تصنيفه على أنه إنجاز نادر ومثير في العقد الذي أعقب ظهور السيراميك الكهرضغطي في الخمسينيات من قبل مجلات مثل SCIENCE و NATURE. ومع ذلك، لا تزال هناك عيوب مثل انخفاض قوة الشد الميكانيكية والتعقيدات المختلفة مع درجة الحرارة والتردد والمجال الكهربائي، والتكلفة مرتفعة للغاية. إنه مصنوع من محول طاقة عالي الطاقة منخفض التردد من النوع IV، وهو أعلى بمقدار 5 ديسيبل من محول الطاقة بنفس الهيكل المصنوع من مادة PZT28. يحتاج جزء من الجسم الكهروضوئي لـ PMN2X إلى مجال كهربائي مستقطب للتيار المستمر لاستخدامه كمواد انبعاث عالية الطاقة.