Nye udviklinger af piezo-keramik brugt i undervands-ekkolodtransducere(2)

For at forbedre detekteringsydeevnen af ​​passive ekkolods har forskning udviklet en vektorhydrofon, der kan modtage og udnytte skalarparametre (lydtryk) og vektorparametre (vibrationshastighed) i lydfeltet, hvilket gør fuld brug af informationen i lydfeltet. Vektorhydrofoner og deres tilsvarende signalbehandlingsteknologier er blandt de nye teknologier, der i øjeblikket udvikles internationalt. anvendelsen af ​​vektorhydrofoner i SURTASS-systemet løser problemet med sløring i venstre og højre side. Det bruges vektorhydrofonens træklinjearray til systematisk at studere vektorhydrofonens holdning, trækhastighed og flowstøj for at detektere vektorhydrofonen. Udviklingen af ​​vektorhydrofoner har grundlæggende opnået strukturel serialisering og funktionel nytte, som kan opfylde forskellige tekniske krav. En række enheder har påbegyndt forskning på dette område. Efter et årti med introduktion af forskning og teknologi er de også begyndt at bevæge sig mod den praktiske fase af ingeniørarbejde. Med hensyn til strukturel form kaldes lydtrykgradienthydrofonen også en vibrationshastighedshydrofon, og den kan opdeles i en dobbelt lydtrykshydrofon, en differenstryktype og en homogeniserende sfærisk type. Dobbeltlydshydrofontypen er direkte sammensat af to lydtrykshydrofoner, og lydtrykgradienthydrofonen med fast skal har et fast kabinet, og den dobbelte laminerede piezoelektrisk halvkugle piezo-keramik er fastgjort på yderkappen, og trykket er fikseret. Den elektriske plade udsættes for bøjningsvibrationer under påvirkning af en lydtrykgradient i tykkelsesretningen deraf. De følsomme komponenter er placeret i tre ortogonale retninger og har samme fasecenter, som udgør en tredimensionel vektorhydrofon. Efter at lydtrykshydrofonen og vektorhydrofonen er strukturelt integreret, er det hele sfærisk, og opdriften i havvandet er nul. Den sammensatte vektorhydrofon med samme vibration (herefter omtalt som en vektorhydrofon) er konstrueret, og udgangssignalerne fra de to behandles. Co-vibrationsvektorhydrofonen rører ikke vandet, og sensoren reagerer på sensorens samlede pulsering, hvilket kræver fri installation. For eksempel vektorhydrofon med et driftsfrekvensområde på 20Hz til 6000Hz og Mp =-180dB. Ud over co-vibrationsvektorhydrofonen findes der også en differenstryktype. Differenstrykvektorhydrofonen kontakter mediumvandet og reagerer ikke på sensorens samlede bevægelse, men også på højfrekvensområdet. Retningsevnen af ​​vektorhydrofonen er cosinusformet. Ensrettet retningsbestemt stråleskærpning og elektronisk rotation af strålen kan opnås for at opnå orientering. Vektorhydrofonens driftsfrekvens kan variere fra nogle få hundrede hertz til flere titusinder af kilohertz. Efter signalbehandlingen kan lydenergistrømmen undertrykke støjen med 10-20dB sammenlignet med lydtryksignalenergien. Enkeltvektorhydrofonen har en orienteringsnøjagtighed på ±2° og kan være op til 1° efter speciel behandling.

Piezoelektrisk keramisk transducer

Så tidligt som i 1978 foreslås det en piezokeramisk fase og et polymerfasebundet strukturmateriale. Dette materiale har en særlig høj hydrostatisk piezoelektrisk koefficient sammenlignet med piezoelektrisk keramik og er meget større end PZT piezoelektrisk keramik, hvilket gør det ideelt til dybtvandsapplikationer. Dens karakteristiske impedans er lille, den er let at matche med vand, frekvensbåndbredde, og dens karakteristika kan også justeres ved at ændre andelen af ​​piezokeramik. Indtil videre er snesevis af sammensatte piezoelektriske materialer blevet udviklet. Blandt dem anses 222, 123 og 023, 321 tofasede kompositmaterialer generelt for at være den mest lovende fremtidige ekkolodskonvertering. 023-kompositmaterialet, som er lavet af keramisk pulvermateriale og gummi, kaldes piezoelektrisk gummi. Det har gummiets blødhed og fleksibilitet, hvilket er 20 gange så meget som almindelig piezoelektrisk keramik, hvilket svarer til PVDF. Disse fordele gør den velegnet til overfladehydrofoner. Piezoelektrisk gummi er let at lave et par millimeter tykt, hvilket er dens fordel i forhold til PVDF. Forskning i nanostrukturerede piezoelektriske kompositmaterialer er også blevet udført. Det er en proces, hvor piezoelektrisk keramik behandles og derefter infunderes i sammensatte piezoelektriske materialer. En anden metode er at forarbejde piezoelektrisk keramik til pulvere. Det sintres derefter og formes med andre materialer. Dette fagområde er i øjeblikket under undersøgelse. Materials Systems har med succes udviklet et komposit-hydrofonmodul i stor skala med en standardstørrelse på 250 × 250 mm. Den har også udviklet en model 123 piezoelektrisk sammensat transducer -array til brug i nye letvægts elektriske torpedo-samlinger og vokalbaser. Den har også udviklet en 123-forbundet piezo-keramisk søjle og epoxy-komposit-overfladeelement-hydrofonmodul, størrelsen er 100 × 180 mm, og udgør en 18-elements bredsidet linie-array af en matrix-linje med 9m. 200mm ved 60KHz. Følgende bredbåndsfølsomhed er højere end -190dB, og udsvinget er mindre end 2dB. Både teori og eksperiment beviser, at kompositmaterialet kan øge emissionsreaktionen og modtage følsomheden med 3dB~5dB på grund af polymermaterialets overladningseffekt. Efter tilføjelse af det hårde cover er effekten mere tydelig og kan forbedres med 10dB.

For at forbedre kapaciteten til interferens med turbulensstøj på ekkolods-antiskibsoverfladen på skibssidearrayet bruges en hydrofon med stort område i skibssidearrayekkoloddet i overensstemmelse med egenskaberne for den støjrelaterede radius. PVDF piezoelektrisk film er et ideelt piezoelektrisk materiale til fremstilling af store hydrofoner. Det er let i tekstur, fleksibelt og nemt at lave en buet form. Der er fremstillet en hydrofon med stort areal med en PVDF-film med et areal på 200 × 300 × 0,2 mm, og følsomheden er omkring -200 dB i frekvensområdet fra flere hundrede hertz til 4 kHz. Ud over PVDF piezoelektriske film blev der i 1990'erne udviklet et nyt piezoelektrisk filmmateriale PVDF-TrFE (VF2). som er en ferroelektrisk polymer copolymer dannet af polyvinylidenfluorid (PVDF) og polytrifluorethylen (TrFE), og er elektronisk strålingsmodifikation. Dette nye materiale har potentialet til at løse temperatur- og trykstabilitetsproblemerne ved PVDF piezoelektriske film og problemer med lateral tilstand, og følsomheden er også en smule forbedret.

Fra 1997 til 2000 udviklede Institute of Ceramics og Xi'an Jiaotong University successivt en slags afslappet jernspændingselektrisk enkeltkrystalmateriale, omtalt som PMN2PT og PZN2PT. Dette materiale har en større forbedring i energilagringstæthed, elektromekanisk koblingskoefficient, dielektrisk konstant og lignende end almindelig piezoelektrisk keramik og har restpolarisering og kræver ikke en DC-forspænding. Ydeevneparametrene for PMN2PT er givet. Det er blevet vurderet som et sjældent og spændende gennembrud i årtiet siden fremkomsten af ​​piezoelektrisk keramik i 1950'erne af magasiner som SCIENCE og NATURE. Der er dog stadig mangler såsom lav mekanisk trækstyrke og forskellige kompleksiteter med temperatur, frekvens og elektrisk felt, og prisen er for høj. Den er lavet af en type IV bøjet lavfrekvent højeffekttransducer, som er 5 dB højere end transduceren med samme struktur lavet af PZT28-materiale. En del af det ferroelektriske legeme af PMN2X har brug for et DC-polariseret elektrisk felt for at blive brugt som et høj-effekt emitterende materiale.