Pietsokeramiikka, jota käytetään vedenalaisissa luotainantureissa(2)

Passiivisen kaikuluotaimen havaitsemissuorituskyvyn parantamiseksi tutkimus on kehittänyt vektorihydrofonin, joka pystyy vastaanottamaan ja hyödyntämään äänikentän skalaariparametreja (äänenpaine) ja vektoriparametreja (värähtelynopeus) hyödyntäen täysimääräisesti äänikentän informaatiota. Vektorihydrofonit ja niitä vastaavat signaalinkäsittelytekniikat kuuluvat uusiin teknologioihin, joita kehitetään parhaillaan kansainvälisesti. vektorihydrofonien soveltaminen SURTASS-järjestelmässä ratkaisee vasemman ja oikean puolen epätarkkuuden ongelman. Sitä käytetään vektorihydrofonin vetoviivataulukon avulla tutkimaan systemaattisesti vektorihydrofonin asentoa, vetonopeutta ja virtauskohinaa vektorihydrofonin havaitsemiseksi. Vektorihydrofonien kehittäminen on periaatteessa saavuttanut rakenteellisen serialisoinnin ja toiminnallisen hyödyn, joka pystyy täyttämään erilaiset tekniset vaatimukset. Useat yksiköt ovat aloittaneet tutkimuksen tällä alalla. Vuosikymmenen tutkimuksen ja teknologian käyttöönoton jälkeen he ovat myös alkaneet siirtyä kohti tekniikan käytännön vaihetta. Rakenteeltaan äänenpainegradienttihydrofonia kutsutaan myös värähtelynopeushydrofoniksi, ja se voidaan jakaa kaksoisäänenpainehydrofoniksi, paine-erotyyppiin ja homogenisoivaan pallotyyppiin. Kaksoisäänihydrofonityyppi koostuu suoraan kahdesta äänenpainehydrofonista, ja kiinteäkuorisessa äänenpainegradienttihydrofonissa on kiinteä kotelo ja kaksoislaminoitu. pietsosähköinen puolipallo pietsokeramiikka on kiinnitetty ulkokuoreen ja paine on kiinteä. Sähkölevy altistetaan taivutusvärähtelylle äänenpainegradientin vaikutuksesta sen paksuussuunnassa. Herkät komponentit on sijoitettu kolmeen ortogonaaliseen suuntaan ja niillä on sama vaihekeskus, joka muodostaa kolmiulotteisen vektorihydrofonin. Äänenpainehydrofonin ja vektorihydrofonin rakenteellisen integroinnin jälkeen kokonaisuus on pallomainen ja meriveden kelluvuus on nolla. Samavärähtelyinen komposiittivektorihydrofoni (jäljempänä vektorihydrofoni) rakennetaan ja näiden kahden lähtösignaalit käsitellään. Kovibraatiovektorihydrofoni ei kosketa veteen, ja anturi reagoi anturin yleiseen pulsaatioon vaatien vapaan asennuksen. Esimerkiksi vektorihydrofoni, jonka toimintataajuusalue on 20 Hz - 6000 Hz ja Mp = -180 dB. Kovibraatiovektorihydrofonin lisäksi on olemassa myös paine-erotyyppi. Paine-erovektorihydrofoni koskettaa välivettä eikä reagoi anturin yleiseen liikkeeseen, vaan myös korkeaan taajuusalueeseen. Vektorihydrofonin suuntaus on kosinin muotoinen. Yksisuuntainen säteen teroitus ja säteen elektroninen pyöritys voidaan saavuttaa suuntauksen saavuttamiseksi. Vektorihydrofonin toimintataajuus voi vaihdella muutamasta sadasta hertsistä useisiin kymmeniin kilohertseihin. Signaalin käsittelyn jälkeen äänienergiavirta voi vaimentaa kohinaa 10-20 dB äänenpainesignaalin energiaan verrattuna. Yksivektorihydrofonin suuntaustarkkuus on ±2° ja se voi olla jopa 1° erikoiskäsittelyn jälkeen.

Pietsosähköinen keraaminen muunnin

Jo vuonna 1978 on ehdotettu pietsokeraamista faasia ja polymeerifaasisidosta rakennemateriaalia. Tällä materiaalilla on erityisen korkea hydrostaattinen pietsosähköinen kerroin verrattuna pietsosähköiseen keramiikkaan, ja se on paljon suurempi kuin PZT-pietsosähköinen keramiikka, joten se on ihanteellinen syvän veden sovelluksiin. Sen ominaisimpedanssi on pieni, se on helppo sovittaa veteen, taajuuskaistanleveyteen ja sen ominaisuuksia voidaan säätää myös muuttamalla pietsokeramiikan osuutta. Tähän mennessä on kehitetty kymmeniä komposiittipietsosähköisiä materiaaleja. Niistä kaksivaiheisia komposiittimateriaaleja 222, 123 ja 023, 321 pidetään yleisesti lupaavimpana tulevaisuuden kaikuluotaimena. Keraamisesta jauhemateriaalista ja kumista valmistettua komposiittimateriaalia 023 kutsutaan pietsosähköiseksi kumiksi. Siinä on kumin pehmeys ja joustavuus, mikä on 20 kertaa tavallista pietsosähköistä keramiikkaa, mikä vastaa PVDF:ää. Nämä edut tekevät siitä sopivan pintahydrofoneille. Pietsosähköinen kumi on helppo valmistaa muutaman millimetrin paksuiseksi, mikä on sen etu PVDF:ään verrattuna. Myös nanorakenteisia pietsosähköisiä komposiittimateriaaleja on tutkittu. Se on prosessi, jossa pietsosähköistä keramiikkaa prosessoidaan ja infusoidaan sitten komposiittipietsosähköisiin materiaaleihin. Toinen menetelmä on jalostaa pietsosähköistä keramiikkaa jauheiksi. Sitten se sintrataan ja muodostetaan muiden materiaalien kanssa. Tätä aihealuetta tutkitaan parhaillaan. Materials Systems on onnistuneesti kehittänyt suuren mittakaavan komposiittihydrofonimoduulin, jonka standardikoko on 250 × 250 mm. Se on myös kehittänyt mallin 123 pietsosähköinen komposiittianturiryhmä käytettäväksi uudessa kevyessä sähköisessä torpedokokoelmassa ja laulupohjassa. Se on myös kehittänyt 123-liitännällä yhdistetyn pietsokeraamisen kolonnin ja epoksikomposiittipintaelementin hydrofonimoduulin, jonka koko on 100 × 180 mm, ja se muodostaa 18 elementin leveän linjan, jonka pituus on 20 mm ja leveys 20 mm. 60 kHz. Seuraava laajakaistaherkkyys on suurempi kuin -190 dB ja vaihtelu on alle 2 dB. Sekä teoria että koe osoittavat, että komposiittimateriaali voi lisätä emissiovastetta ja vastaanottoherkkyyttä 3 dB ~ 5 dB polymeerimateriaalin ahtovaikutuksen ansiosta. Kovan kannen lisäämisen jälkeen vaikutus on selvempi ja sitä voidaan parantaa 10 dB:llä.

Laivan sivuryhmän kaikuluotaimen anti-laivapinnan turbulenssimelun häiriökyvyn parantamiseksi laivan kylkiluotaimessa käytetään laaja-alaista hydrofonia meluan liittyvän säteen ominaisuuksien mukaisesti. PVDF-pietsosähköinen kalvo on ihanteellinen pietsosähköinen materiaali suuripintaisten hydrofonien valmistukseen. Se on rakenteeltaan kevyt, joustava ja helppo tehdä kaareva muoto. Suurialueinen hydrofoni on valmistettu PVDF-kalvolla, jonka pinta-ala on 200 × 300 × 0,2 mm, ja herkkyys on noin -200 dB useiden sadan hertsin ja 4 kHz:n välisellä taajuusalueella. Pietsosähköisten PVDF-kalvojen lisäksi kehitettiin 1990-luvulla uusi pietsosähköinen kalvomateriaali PVDF-TrFE (VF2). joka on ferrosähköinen polymeerikopolymeeri, joka on muodostettu polyvinylideenifluoridista (PVDF) ja polytrifluorietyleenistä (TrFE), ja se on elektronisesti säteilymodifiointi. Tällä uudella materiaalilla on potentiaalia ratkaista PVDF-pietsosähköisten kalvojen lämpötila- ja paineenstabiiliusongelmia sekä lateraalitilan ongelmia, ja herkkyys on myös hieman parantunut.

Vuodesta 1997 vuoteen 2000 Keramiikkainstituutti ja Xi'an Jiaotong University kehittivät peräkkäin eräänlaista rentoa rautajännitteistä sähköistä yksikidemateriaalia, joita kutsutaan nimillä PMN2PT ja PZN2PT. Tällä materiaalilla on suurempi parannus energian varastointitiheydessä, sähkömekaanisessa kytkentäkertoimessa, dielektrisyysvakiossa ja vastaavissa kuin tavallisessa pietsosähköisessä keramiikassa, ja siinä on jäännöspolarisaatio, eikä se vaadi DC-esijännitettä. PMN2PT:n suorituskykyparametrit on annettu. SCIENCE ja NATURE ovat arvioineet sen harvinaiseksi ja jännittäväksi läpimurtoksi vuosikymmenen aikana, jona pietsosähköinen keramiikka syntyi 1950-luvulla. Puutteita on kuitenkin edelleen, kuten alhainen mekaaninen vetolujuus ja erilaiset lämpötilan, taajuuden ja sähkökentän monimutkaisuudet, ja kustannukset ovat liian korkeat. Se on valmistettu tyypin IV taivutetusta matalataajuisesta suurtehomuuntimesta, joka on 5 dB korkeampi kuin PZT28-materiaalista valmistettu samanrakenteen anturi. Osa PMN2X:n ferrosähköisestä rungosta tarvitsee DC-polarisoidun sähkökentän voidakseen käyttää suurta tehoa emittoivana materiaalina.