Novi razvoj piezo keramike koja se koristi u podvodnim sonarnim pretvornicima (2)

Kako bi se poboljšala učinkovitost detekcije pasivnog sonara, istraživanje je razvilo vektorski hidrofon koji može primati i koristiti skalarne parametre (zvučni tlak) i vektorske parametre (brzina vibracije) u zvučnom polju, u potpunosti iskorištavajući informacije u zvučnom polju. Vektorski hidrofoni i njihove odgovarajuće tehnologije obrade signala su među novim tehnologijama koje se trenutno razvijaju na međunarodnoj razini. primjena vektorskih hidrofona u sustavu SURTASS rješava problem zamućenja lijeve i desne strane. koristi se niz vektorskih linija za povlačenje za sustavno proučavanje položaja, brzine povlačenja i buke protoka vektorskog hidrofona za otkrivanje vektorskog hidrofona. Razvojem vektorskih hidrofona u osnovi je postignuta strukturna serijalizacija i funkcionalna korisnost koja može zadovoljiti različite inženjerske zahtjeve. Nekoliko jedinica je započelo istraživanja u ovom području. Nakon desetljeća istraživanja i uvođenja tehnologije, također su se počeli pomicati prema praktičnoj fazi inženjeringa. U smislu strukturnog oblika, hidrofon s gradijentom zvučnog tlaka naziva se i hidrofon s brzinom vibracije, a može se podijeliti na hidrofon s dvostrukim zvučnim tlakom, tip diferencijalnog tlaka i homogenizirajući sferični tip. Tip hidrofona s dvostrukim zvučnim tlakom izravno se sastoji od dva hidrofona s zvučnim tlakom, a hidrofon s gradijentom zvučnog tlaka s fiksnom školjkom ima fiksno kućište i dvostruko laminirano piezoelektrična hemisfera piezo keramika je fiksirana na vanjskom kućištu, a tlak je fiksan. Električna ploča je podvrgnuta vibracijama savijanja pod djelovanjem gradijenta zvučnog tlaka u smjeru svoje debljine. Osjetljive komponente postavljene su u tri ortogonalna smjera i imaju isto fazno središte, što čini trodimenzionalni vektorski hidrofon. Nakon što su zvučni tlačni hidrofon i vektorski hidrofon strukturno integrirani, cjelina je sferna, a uzgon u morskoj vodi jednak je nuli. Konstruira se kompozitni vektorski hidrofon iste vibracije (u daljnjem tekstu vektorski hidrofon), a izlazni signali ta dva se obrađuju. Kovibracijski vektorski hidrofon ne dodiruje vodu, a senzor reagira na ukupno pulsiranje senzora, što zahtijeva slobodnu instalaciju. Na primjer, vektorski hidrofon s radnim frekvencijskim rasponom od 20 Hz do 6000 Hz i Mp = -180 dB. Uz ko-vibracijski vektorski hidrofon, postoji i tip diferencijalnog tlaka. Hidrofon vektora diferencijalnog tlaka kontaktira srednju vodu i ne reagira na cjelokupno kretanje senzora, već također na visokofrekventni raspon. Usmjerenost vektorskog hidrofona je kosinusnog oblika. Jednosmjerno usmjereno izoštravanje snopa i elektronička rotacija snopa mogu se postići kako bi se postigla orijentacija. Radna frekvencija vektorskog hidrofona može se kretati od nekoliko stotina herca do nekoliko desetaka kiloherca. Nakon obrade signala, protok zvučne energije može potisnuti šum za 10-20 dB u usporedbi s energijom signala zvučnog tlaka. Hidrofon s jednim vektorom ima točnost orijentacije od ±2° i može biti do 1° nakon posebne obrade.

Piezoelektrični keramički pretvornik

Još 1978. godine predložena je piezo keramička faza i strukturni materijal vezan polimernom fazom. Ovaj materijal ima posebno visok hidrostatski piezoelektrični koeficijent u usporedbi s piezoelektričnom keramikom i mnogo je veći od PZT piezoelektrične keramike, što ga čini idealnim za primjenu u dubokim vodama. Njegova karakteristična impedancija je mala, lako ga je uskladiti s vodom, frekvencijski pojas, a njegove karakteristike također se mogu prilagoditi promjenom udjela piezo keramike. Do sada su razvijeni deseci kompozitnih piezoelektričnih materijala. Među njima, dvofazni kompozitni materijali 222, 123 i 023, 321 općenito se smatraju budućom pretvorbom sonara koja najviše obećava. Kompozitni materijal 023, koji je izrađen od keramičkog praha i gume, naziva se piezoelektrična guma. Ima mekoću i fleksibilnost gume, što je 20 puta više od obične piezoelektrične keramike, što je ekvivalentno PVDF-u. Ove prednosti ga čine prikladnim za površinske hidrofone. Piezoelektričnu gumu je lako napraviti debljine nekoliko milimetara, što je njena prednost u odnosu na PVDF. Također su provedena istraživanja nanostrukturiranih kompozitnih piezoelektričnih materijala. To je proces u kojem se piezoelektrična keramika obrađuje i zatim utapa u kompozitne piezoelektrične materijale. Druga metoda je obrada piezoelektrične keramike u prah. Zatim se sinterira i oblikuje s drugim materijalima. Ovo područje je trenutno u fazi proučavanja. Tvrtka Materials Systems uspješno je razvila kompozitni hidrofonski modul velikih razmjera standardne veličine 250 × 250 mm. Također je razvijen model 123 piezoelektrični kompozitni niz pretvornika za upotrebu u novoj kolekciji laganih električnih torpeda i vokalnim bazama. Također je razvio hidrofonski modul od 123 povezanih piezo keramičkih stupova i epoksidnih kompozitnih površinskih elemenata, veličine 100 × 180 mm, i čini linijski niz od 18 elemenata s duljinom matrice od 1,9 m i širinom od 200mm na 60KHz. Sljedeća širokopojasna osjetljivost veća je od -190 dB, a fluktuacija je manja od 2 dB. I teorija i eksperiment dokazuju da kompozitni materijal može povećati odziv emisije i osjetljivost prijema za 3dB~5dB zbog učinka prenaboja polimernog materijala. Nakon dodavanja tvrdog omota, učinak je očitiji i može se poboljšati za 10 dB.

Kako bi se poboljšala mogućnost interferencije buke turbulencije protubrodske površine brodskog sonara s bočnim nizom, hidrofon velikog područja koristi se u brodskom sonaru s bočnim nizom u skladu s karakteristikama radijusa povezanog s bukom. PVDF piezoelektrični film idealan je piezoelektrični materijal za izradu hidrofona velike površine. Lagane je teksture, fleksibilan i lako ga je napraviti zakrivljeni oblik. Proizveden je hidrofon velike površine s PVDF filmom površine 200 × 300 × 0,2 mm, a osjetljivost je oko -200 dB u frekvencijskom području od nekoliko stotina herca do 4 kHz. Uz PVDF piezoelektrične filmove, 1990-ih je razvijen novi piezoelektrični filmski materijal PVDF-TrFE (VF2). koji je feroelektrični polimer kopolimer formiran od poliviniliden fluorida (PVDF) i politrifluoroetilena (TrFE), te je elektronički modificiran zračenjem. Ovaj novi materijal ima potencijal za rješavanje problema stabilnosti temperature i tlaka PVDF piezoelektričnih filmova i problema bočnog moda, a osjetljivost je također malo poboljšana.

Od 1997. do 2000., Institut za keramiku i Sveučilište Xi'an Jiaotong sukcesivno su razvili neku vrstu monokristalnog električnog materijala s opuštenim željeznim naponom, koji se naziva PMN2PT i PZN2PT. Ovaj materijal ima veće poboljšanje u gustoći skladištenja energije, koeficijentu elektromehaničke sprege, dielektričnoj konstanti i sličnom od obične piezoelektrične keramike, ima rezidualnu polarizaciju i ne zahtijeva DC prednapon. Dati su parametri izvedbe PMN2PT. Časopisi kao što su SCIENCE i NATURE ocijenili su ga rijetkim i uzbudljivim otkrićem u desetljeću od pojave piezoelektrične keramike 1950-ih. Međutim, još uvijek postoje nedostaci kao što su niska mehanička vlačna čvrstoća i razne složenosti s temperaturom, frekvencijom i električnim poljem, a cijena je previsoka. Izrađen je od tipa IV savijenog niskofrekventnog pretvornika velike snage, koji je za 5 dB veći od pretvornika iste strukture od PZT28 materijala. Dio feroelektričnog tijela PMN2X treba DC-polarizirano električno polje da bi se koristio kao emitirajući materijal velike snage.