پیشرفت های جدید سرامیک های پیزو مورد استفاده در مبدل های سونار زیر آب (2)

به منظور بهبود عملکرد تشخیص سونار غیرفعال، تحقیقات یک هیدروفون برداری ایجاد کرده است که می تواند پارامترهای اسکالر (فشار صدا) و پارامترهای برداری (سرعت ارتعاش) را در میدان صوتی دریافت و استفاده کند و از اطلاعات میدان صوتی به طور کامل استفاده کند. هیدروفون های برداری و فناوری های پردازش سیگنال مربوط به آنها از جمله فناوری های جدیدی هستند که در حال حاضر در سطح بین المللی در حال توسعه هستند. استفاده از هیدروفون های برداری در سیستم SURTASS مشکل تاری سمت چپ و راست را حل می کند. از آرایه خط کشیدن هیدروفون برداری برای مطالعه سیستماتیک نگرش، سرعت کشیدن و نویز جریان هیدروفون برداری برای تشخیص هیدروفون برداری استفاده می شود. توسعه هیدروفون های برداری اساساً به سریال سازی ساختاری و کاربرد عملکردی دست یافته است که می تواند نیازهای مهندسی مختلف را برآورده کند. تعدادی از واحدها تحقیقات خود را در این زمینه آغاز کرده اند. پس از یک دهه معرفی تحقیقات و فناوری، آنها نیز شروع به حرکت به سمت مرحله عملی مهندسی کرده‌اند. از نظر شکل ساختاری، هیدروفون گرادیان فشار صدا را هیدروفون سرعت ارتعاش نیز می‌نامند و می‌توان آن را به هیدروفون دو فشار صوتی، نوع فشار تفاضلی و نوع کروی همگن تقسیم کرد. سرامیک های پیزو نیمکره پیزوالکتریک روی پوشش بیرونی ثابت می شوند و فشار ثابت است. صفحه الکتریکی تحت تأثیر یک گرادیان فشار صوتی در جهت ضخامت آن تحت ارتعاش خمشی قرار می گیرد. اجزای حساس در سه جهت متعامد قرار می گیرند و مرکز فاز یکسانی دارند که یک هیدروفون برداری سه بعدی را تشکیل می دهد. پس از اینکه هیدروفون فشار صوتی و هیدروفون بردار از نظر ساختاری یکپارچه شدند، کل کروی است و شناوری در آب دریا صفر است. هیدروفون بردار مرکب با همان ارتعاش (که از این پس به عنوان هیدروفون برداری نامیده می شود) ساخته می شود و سیگنال های خروجی این دو پردازش می شوند. هیدروفون بردار لرزش مشترک آب را لمس نمی کند و سنسور به ضربان کلی سنسور پاسخ می دهد و نیاز به نصب رایگان دارد. به عنوان مثال، هیدروفون برداری با محدوده فرکانس کاری 20 هرتز تا 6000 هرتز و Mp = 180dB. علاوه بر هیدروفون بردار ارتعاش مشترک، نوع فشار دیفرانسیل نیز وجود دارد. هیدروفون بردار فشار دیفرانسیل با آب متوسط ​​تماس می گیرد و نه به حرکت کلی سنسور، بلکه به محدوده فرکانس بالا نیز پاسخ می دهد. جهت هیدروفون بردار کسینوس شکل است. تیز کردن پرتو جهت دار یک طرفه و چرخش الکترونیکی پرتو برای دستیابی به جهت گیری قابل دستیابی است. فرکانس کاری هیدروفون برداری می تواند از چند صد هرتز تا چند ده کیلوهرتز متغیر باشد. پس از پردازش سیگنال، جریان انرژی صوتی در مقایسه با انرژی سیگنال فشار صدا می تواند نویز را 10-20dB سرکوب کند. هیدروفون تک بردار دارای دقت جهت گیری ± 2 درجه است و می تواند تا 1 درجه پس از درمان ویژه باشد.

مبدل سرامیک پیزوالکتریک

در اوایل سال 1978، یک فاز سرامیک پیزو و یک ماده ساختاری با فاز پلیمری پیشنهاد شد. این ماده دارای ضریب پیزوالکتریک هیدرواستاتیکی بالا در مقایسه با سرامیک های پیزوالکتریک است و بسیار بزرگتر از سرامیک های پیزوالکتریک PZT است که آن را برای کاربردهای آب های عمیق ایده آل می کند. امپدانس مشخصه آن کوچک است، به راحتی با آب، پهنای باند فرکانس مطابقت دارد، و ویژگی های آن را نیز می توان با تغییر نسبت سرامیک پیزو تنظیم کرد. تاکنون ده ها ماده کامپوزیت پیزوالکتریک ساخته شده است. در میان آنها، مواد کامپوزیت دو فاز 222، 123 و 023، 321 به طور کلی به عنوان امیدوار کننده ترین تبدیل سونار در آینده در نظر گرفته می شوند. نرمی و انعطاف لاستیک را دارد که 20 برابر سرامیک های پیزوالکتریک معمولی است که معادل PVDF است. این مزایا آن را برای هیدروفون های سطحی مناسب می کند. لاستیک پیزوالکتریک به راحتی با ضخامت چند میلی متر ساخته می شود که مزیت آن نسبت به PVDF است. تحقیقات بر روی مواد پیزوالکتریک کامپوزیتی نانوساختار نیز انجام شده است. این فرآیندی است که در آن سرامیک های پیزوالکتریک پردازش می شوند و سپس به مواد پیزوالکتریک کامپوزیت تزریق می شوند. روش دیگر پردازش سرامیک های پیزوالکتریک به پودر است. سپس زینتر شده و با مواد دیگر تشکیل می شود. این حوزه موضوعی در حال حاضر تحت مطالعه است. Materials Systems با موفقیت یک ماژول هیدروفون کامپوزیت در مقیاس بزرگ با اندازه استاندارد 250 × 250 میلی متر توسعه داده است. همچنین مدل 123 را توسعه داده است آرایه مبدل کامپوزیت پیزوالکتریک برای استفاده در مجموعه جدید اژدرهای الکتریکی سبک وزن و پایه های صوتی. همچنین یک ستون سرامیکی پیزو 123 متصل و ماژول هیدروفون سطحی کامپوزیت اپوکسی را توسعه داده است، اندازه 100 × 180 میلی متر است، و یک پرتوی 18 عنصری با طول 18 عنصر با عرض 1 matri-face را تشکیل می دهد. 200 میلی متر در 60 کیلوهرتز. حساسیت پهنای باند زیر بالاتر از -190dB و نوسان کمتر از 2dB است. هم تئوری و هم آزمایش ثابت می‌کنند که ماده کامپوزیت می‌تواند پاسخ انتشار و حساسیت دریافت را 3dB~5dB به دلیل اثر سوپرشارژ ماده پلیمری افزایش دهد. پس از افزودن پوشش سخت، اثر مشهودتر است و می توان آن را تا 10 دسی بل بهبود بخشید.

به منظور بهبود قابلیت تداخل نویز آشفتگی سطح ضد کشتی سونار آرایه جانبی کشتی، با توجه به ویژگی‌های شعاع مربوط به نویز، از یک هیدروفون با مساحت بزرگ در سونار آرایه جانبی کشتی استفاده می‌شود. فیلم پیزوالکتریک PVDF یک ماده پیزوالکتریک ایده آل برای ساخت هیدروفون های بزرگ است. از نظر بافت سبک، انعطاف پذیر است و به راحتی می توان یک شکل منحنی ایجاد کرد. یک هیدروفون با مساحت بزرگ با یک فیلم PVDF در مساحت 200 × 300 × 0.2 میلی متر تولید شده است و حساسیت آن در حدود -200 دسی بل در محدوده فرکانس چند صد هرتز تا 4 کیلوهرتز است. علاوه بر فیلم‌های پیزوالکتریک PVDF، در دهه 1990، یک ماده جدید فیلم پیزوالکتریک PVDF-TrFE (VF2) ساخته شد. که یک کوپلیمر پلیمر فروالکتریک است که از پلی وینیلیدین فلوراید (PVDF) و پلی تری فلوئورواتیلن (TrFE) تشکیل شده است و به صورت الکترونیکی اصلاح تابش است. این ماده جدید پتانسیل حل مشکلات پایداری دما و فشار فیلم های پیزوالکتریک PVDF و مشکلات حالت جانبی را دارد و حساسیت نیز کمی بهبود یافته است.

از سال 1997 تا 2000، مؤسسه سرامیک و دانشگاه Xi'an Jiaotong به طور متوالی نوعی ماده تک کریستالی الکتریکی ولتاژ آهن آرام را توسعه دادند که به آنها PMN2PT و PZN2PT گفته می شود. این ماده نسبت به سرامیک های پیزوالکتریک معمولی در چگالی ذخیره انرژی، ضریب جفت الکترومکانیکی، ثابت دی الکتریک و موارد مشابه بهبود بیشتری دارد و دارای قطبش باقی مانده است و نیازی به بایاس DC ندارد. پارامترهای عملکرد PMN2PT داده شده است. در دهه پس از ظهور سرامیک های پیزوالکتریک در دهه 1950 توسط مجلاتی مانند SCIENCE و NATURE، این یک پیشرفت نادر و هیجان انگیز ارزیابی شده است. با این حال، هنوز کاستی هایی مانند استحکام کششی مکانیکی پایین و پیچیدگی های مختلف با دما، فرکانس و میدان الکتریکی وجود دارد و هزینه آن بسیار بالاست. این یک مبدل با فرکانس پایین خمیده نوع IV با توان بالا ساخته شده است که 5 دسی بل بالاتر از مبدل با همان ساختار ساخته شده از مواد PZT28 است. بخشی از بدنه فروالکتریک PMN2X به یک میدان الکتریکی قطبی شده DC برای استفاده به عنوان ماده تابشی با توان بالا نیاز دارد.