Nový vývoj piezokeramiky používané v podvodních sonarových měničích(2)

Aby se zlepšil detekční výkon pasivního sonaru, výzkum vyvinul vektorový hydrofon, který dokáže přijímat a využívat skalární parametry (akustický tlak) a vektorové parametry (rychlost vibrací) ve zvukovém poli a plně využívat informace ve zvukovém poli. Vektorové hydrofony a jim odpovídající technologie zpracování signálu patří k novým technologiím, které jsou v současnosti mezinárodně vyvíjeny. aplikace vektorových hydrofonů v systému SURTASS řeší problém rozostření levé a pravé strany. Používá se pole vektorového hydrofonu k systematickému studiu polohy, rychlosti odporu a šumu proudění vektorového hydrofonu k detekci vektorového hydrofonu. Vývoj vektorových hydrofonů v podstatě dosáhl strukturální serializace a funkční užitečnosti, která může splňovat různé technické požadavky. Řada jednotek zahájila výzkum v této oblasti. Po deseti letech výzkumu a zavádění technologií se také začali posouvat směrem k praktické fázi inženýrství. Pokud jde o konstrukční formu, hydrofon s gradientem akustického tlaku se také nazývá hydrofon s vibrační rychlostí a lze jej rozdělit na hydrofon s dvojitým akustickým tlakem, typ diferenčního tlaku a homogenizační sférický typ. Typ hydrofonu s dvojitým zvukem se přímo skládá ze dvou hydrofonů akustického tlaku a hydrofon s gradientem akustického tlaku s pevnou skořepinou má pevný kryt a dvojitý laminátový piezoelektrická polokoule piezokeramika je upevněna na vnějším plášti a tlak je pevný. Elektrická deska je vystavena ohybovým vibracím při působení gradientu akustického tlaku ve směru její tloušťky. Citlivé komponenty jsou umístěny ve třech ortogonálních směrech a mají stejný fázový střed, který tvoří trojrozměrný vektorový hydrofon. Po konstrukčně integrovaném hydrofonu akustického tlaku a vektorového hydrofonu je celek kulový a vztlak v mořské vodě je nulový. Je konstruován stejný-vibrační kompozitní vektorový hydrofon (dále označovaný jako vektorový hydrofon) a výstupní signály těchto dvou jsou zpracovávány. Ko-vibrační vektorový hydrofon se nedotýká vody a senzor reaguje na celkové pulzování senzoru, což vyžaduje volnou instalaci. Například vektorový hydrofon s pracovním frekvenčním rozsahem 20Hz až 6000Hz a Mp =-180dB. Kromě ko-vibračního vektorového hydrofonu existuje také typ diferenčního tlaku. Vektorový hydrofon diferenčního tlaku kontaktuje médium vodu a nereaguje na celkový pohyb senzoru, ale také na vysokofrekvenční rozsah. Směrovost vektorového hydrofonu je kosinusového tvaru. Pro dosažení orientace lze dosáhnout jednosměrného směrového ostření paprsku a elektronického otáčení paprsku. Provozní frekvence vektorového hydrofonu se může pohybovat od několika stovek hertzů do několika desítek kilohertzů. Po zpracování signálu může tok zvukové energie potlačit hluk o 10-20 dB ve srovnání s energií signálu zvukového tlaku. Jednovektorový hydrofon má přesnost orientace ±2° a po speciální úpravě může být až 1°.

Piezoelektrický keramický měnič

Již v roce 1978 je navržena piezokeramická fáze a strukturní materiál vázaný polymerní fází. Tento materiál má obzvláště vysoký hydrostatický piezoelektrický koeficient ve srovnání s piezoelektrickou keramikou a je mnohem větší než piezoelektrická keramika PZT, takže je ideální pro aplikace v hluboké vodě. Jeho charakteristická impedance je malá, lze jej snadno sladit s vodou, šířkou frekvenčního pásma a jeho charakteristiku lze upravit i změnou podílu piezokeramiky. Dosud byly vyvinuty desítky kompozitních piezoelektrických materiálů. Mezi nimi jsou dvoufázové kompozitní materiály 222, 123 a 023, 321 obecně považovány za nejslibnější budoucí konverzi sonaru. Kompozitní materiál 023, který je vyroben z keramického práškového materiálu a pryže, se nazývá piezoelektrická pryž. Má měkkost a pružnost pryže, která je 20krát větší než u běžné piezoelektrické keramiky, což je ekvivalentní PVDF. Díky těmto výhodám je vhodný pro povrchové hydrofony. Piezoelektrická pryž se snadno vyrábí o tloušťce několika milimetrů, což je její výhoda oproti PVDF. Byl také proveden výzkum nanostrukturních kompozitních piezoelektrických materiálů. Jedná se o proces, při kterém je piezoelektrická keramika zpracovávána a poté zalévána do kompozitních piezoelektrických materiálů. Další metodou je zpracování piezoelektrické keramiky na prášky. Poté se slinuje a formuje s jinými materiály. Tato oblast je v současné době ve studiu. Společnost Materials Systems úspěšně vyvinula velkorozměrový kompozitní hydrofonní modul o standardní velikosti 250 × 250 mm. Vyvinula také model 123 pole piezoelektrických kompozitních měničů pro použití v nové kolekci lehkých elektrických torpéd a vokálních základen. Vyvinula také modul hydrofonu s piezokeramickým sloupcem a epoxidovým kompozitním povrchovým prvkem se 123 zapojenými, velikost je 100 × 180 mm a tvoří 18prvkové široké pole linek s délkou matrice 1,9 m a šířkou 6 Hz. Následující širokopásmová citlivost je vyšší než -190dB a kolísání je menší než 2dB. Teorie i experiment dokazují, že kompozitní materiál může zvýšit emisní odezvu a citlivost příjmu o 3dB~5dB v důsledku přeplňovacího efektu polymerního materiálu. Po přidání pevného krytu je efekt zřetelnější a lze jej zlepšit o 10 dB.

Aby se zlepšila schopnost rušení turbulentního hluku protilodního sonaru na palubě lodi, je v sonaru na palubě lodi použit velkoplošný hydrofon podle charakteristik poloměru souvisejícího s hlukem. Piezoelektrická fólie PVDF je ideálním piezoelektrickým materiálem pro výrobu velkoplošných hydrofonů. Má lehkou texturu, je flexibilní a snadno se z něj dělá zakřivený tvar. Byl vyroben velkoplošný hydrofon s PVDF fólií o ploše 200 × 300 × 0,2 mm a citlivost je asi -200 dB ve frekvenčním rozsahu několik set hertzů až 4 kHz. Kromě piezoelektrických fólií PVDF byl v 90. letech vyvinut nový materiál piezoelektrických fólií PVDF-TrFE (VF2). což je feroelektrický polymerní kopolymer vytvořený z polyvinylidenfluoridu (PVDF) a polytrifluorethylenu (TrFE) a je modifikací elektronového záření. Tento nový materiál má potenciál vyřešit problémy teplotní a tlakové stability piezoelektrických filmů PVDF a problémy s laterálním módem a také se mírně zlepšila citlivost.

Od roku 1997 do roku 2000, Institute of Ceramics a Xi'an Jiaotong University postupně vyvinuli druh uvolněného elektrického monokrystalového materiálu s napětím železa, označovaného jako PMN2PT a PZN2PT. Tento materiál má větší zlepšení v hustotě akumulace energie, elektromechanickém vazebním koeficientu, dielektrické konstantě a podobně než běžná piezoelektrická keramika a má zbytkovou polarizaci a nevyžaduje stejnosměrné předpětí. Jsou uvedeny výkonnostní parametry PMN2PT. Časopisy jako SCIENCE a NATURE ji hodnotí jako vzácný a vzrušující průlom v desetiletí od příchodu piezoelektrické keramiky v 50. letech 20. století. Stále však existují nedostatky, jako je nízká mechanická pevnost v tahu a různé složitosti s teplotou, frekvencí a elektrickým polem, a náklady jsou příliš vysoké. Jedná se o ohýbaný nízkofrekvenční vysokovýkonový měnič typu IV, který je o 5 dB vyšší než měnič se stejnou konstrukcí z materiálu PZT28. Část feroelektrického těla PMN2X potřebuje stejnosměrně polarizované elektrické pole, které má být použito jako vysoce výkonný emitující materiál.