Perkembangan baru keramik piezo yang digunakan dalam transduser sonar bawah air(2)

Untuk meningkatkan kinerja deteksi sonar pasif, penelitian telah mengembangkan hidrofon vektor yang dapat menerima dan memanfaatkan parameter skalar (tekanan suara) dan parameter vektor (kecepatan getaran) di bidang suara, memanfaatkan sepenuhnya informasi di bidang suara. Hidrofon vektor dan teknologi pemrosesan sinyal terkait merupakan salah satu teknologi baru yang saat ini sedang dikembangkan secara internasional. penerapan hidrofon vektor dalam sistem SURTASS memecahkan masalah keburaman sisi kiri dan kanan. digunakan susunan garis tarik hidrofon vektor untuk mempelajari secara sistematis sikap, kecepatan tarik dan kebisingan aliran hidrofon vektor untuk mendeteksi hidrofon vektor. Perkembangan hidrofon vektor pada dasarnya telah mencapai serialisasi struktural dan utilitas fungsional yang dapat memenuhi kebutuhan teknik yang berbeda. Sejumlah unit telah memulai penelitian di bidang ini. Setelah satu dekade melakukan penelitian dan pengenalan teknologi, mereka juga mulai bergerak menuju tahap praktis rekayasa. Dilihat dari bentuk strukturnya, hidrofon gradien tekanan suara disebut juga hidrofon kecepatan getar, dan dapat dibagi menjadi hidrofon tekanan suara ganda, tipe tekanan diferensial, dan tipe bola homogenisasi. Tipe hidrofon suara ganda terdiri langsung dari dua hidrofon tekanan suara, dan hidrofon gradien tekanan suara tipe cangkang tetap memiliki casing tetap, dan hidrofon berlaminasi ganda keramik piezo belahan piezoelektrik dipasang pada selubung luar, dan tekanannya tetap. Pelat listrik terkena getaran lentur di bawah aksi gradien tekanan suara dalam arah ketebalannya. Komponen sensitif ditempatkan dalam tiga arah ortogonal dan memiliki pusat fase yang sama, yang merupakan hidrofon vektor tiga dimensi. Setelah hidrofon tekanan suara dan hidrofon vektor terintegrasi secara struktural, keseluruhannya berbentuk bola, dan daya apung air laut adalah nol. Hidrofon vektor komposit getaran yang sama (selanjutnya disebut sebagai hidrofon vektor) dibuat, dan sinyal keluaran keduanya diproses. Hidrofon vektor co-vibration tidak menyentuh air, dan sensor merespons denyut keseluruhan sensor, sehingga memerlukan pemasangan gratis. Misalnya hidrofon vektor dengan rentang frekuensi operasi 20Hz hingga 6000Hz dan Mp =-180dB. Selain hidrofon vektor co-vibration, ada juga tipe tekanan diferensial. Hidrofon vektor tekanan diferensial menghubungi air medium dan tidak merespons pergerakan sensor secara keseluruhan, tetapi juga terhadap rentang frekuensi tinggi. Arah hidrofon vektor berbentuk kosinus. Penajaman sinar searah dan rotasi elektronik sinar dapat dicapai untuk mencapai orientasi. Frekuensi operasi hidrofon vektor dapat berkisar dari beberapa ratus hertz hingga beberapa puluh kilohertz. Setelah pemrosesan sinyal, aliran energi suara dapat menekan kebisingan sebesar 10-20dB dibandingkan dengan energi sinyal tekanan suara. Hidrofon vektor tunggal memiliki akurasi orientasi ±2° dan dapat mencapai 1° setelah perlakuan khusus.

Transduser keramik piezoelektrik

Pada awal tahun 1978, diusulkan fasa keramik piezo dan bahan struktur terikat fasa polimer. Bahan ini memiliki koefisien piezoelektrik hidrostatik yang sangat tinggi dibandingkan dengan keramik piezoelektrik dan jauh lebih besar daripada keramik piezoelektrik PZT, sehingga ideal untuk aplikasi perairan dalam. Impedansi karakteristiknya kecil, mudah disesuaikan dengan air, bandwidth frekuensi, dan karakteristiknya juga dapat diatur dengan mengubah proporsi keramik piezo. Sejauh ini, puluhan material piezoelektrik komposit telah dikembangkan. Diantaranya, material komposit dua fase 222, 123 dan 023, 321 umumnya dianggap sebagai konversi sonar masa depan yang paling menjanjikan. Material komposit 023, yang terbuat dari bahan bubuk keramik dan karet, disebut karet piezoelektrik. Memiliki kelembutan dan kelenturan karet 20 kali lipat dari keramik piezoelektrik biasa yang setara dengan PVDF. Keunggulan ini membuatnya cocok untuk hidrofon permukaan. Karet piezoelektrik mudah dibuat dengan ketebalan beberapa milimeter, yang merupakan keunggulannya dibandingkan PVDF. Penelitian terhadap material piezoelektrik komposit berstrukturnano juga telah dilakukan. Ini adalah proses di mana keramik piezoelektrik diproses dan kemudian dimasukkan ke dalam bahan piezoelektrik komposit. Cara lainnya adalah dengan mengolah keramik piezoelektrik menjadi bubuk. Kemudian disinter dan dibentuk dengan bahan lain. Bidang studi ini sedang dipelajari. Materials Systems telah berhasil mengembangkan modul hidrofon komposit skala besar dengan ukuran standar 250 × 250 mm. Ia juga telah mengembangkan model 123 susunan transduser komposit piezoelektrik untuk digunakan dalam koleksi torpedo listrik ringan baru dan basis vokal. Ia juga telah mengembangkan kolom keramik piezo 123 yang terhubung dan modul hidrofon elemen permukaan komposit epoksi, ukurannya 100 × 180mm, dan merupakan susunan garis muka lebar 18 elemen dengan panjang matriks 1,9m dan lebar 200mm pada 60KHz. Sensitivitas pita lebar berikut lebih tinggi dari -190dB dan fluktuasinya kurang dari 2dB. Baik teori maupun eksperimen membuktikan bahwa material komposit dapat meningkatkan respons emisi dan sensitivitas penerimaan sebesar 3dB~5dB karena efek supercharging dari material polimer. Setelah menambahkan hard cover, efeknya lebih jelas dan dapat ditingkatkan sebesar 10dB.

Untuk meningkatkan kemampuan interferensi kebisingan turbulensi pada permukaan anti-kapal sonar susunan samping kapal, hidrofon area luas digunakan dalam sonar susunan samping kapal sesuai dengan karakteristik radius terkait kebisingan. Film piezoelektrik PVDF adalah bahan piezoelektrik yang ideal untuk membuat hidrofon area luas. Teksturnya ringan, fleksibel, dan mudah dibuat bentuk melengkung. Hidrofon area luas telah diproduksi dengan film PVDF seluas 200 × 300 × 0,2 mm, dan sensitivitasnya sekitar -200 dB dalam rentang frekuensi beberapa ratus hertz hingga 4 kHz. Selain film piezoelektrik PVDF, pada tahun 1990-an dikembangkan bahan film piezoelektrik baru PVDF-TrFE (VF2). yang merupakan kopolimer polimer feroelektrik yang terbentuk dari polivinilidena fluorida (PVDF) dan politrifluoroetilen (TrFE), dan merupakan modifikasi radiasi elektronik. Material baru ini berpotensi memecahkan masalah stabilitas suhu dan tekanan pada film piezoelektrik PVDF dan masalah mode lateral, dan sensitivitasnya juga sedikit meningkat.

Dari tahun 1997 hingga 2000, Institut Keramik dan Universitas Xi'an Jiaotong berturut-turut mengembangkan sejenis bahan kristal tunggal listrik tegangan besi santai, yang disebut PMN2PT dan PZN2PT. Bahan ini memiliki peningkatan yang lebih besar dalam kepadatan penyimpanan energi, koefisien kopling elektromekanis, konstanta dielektrik dan sejenisnya dibandingkan keramik piezoelektrik biasa, serta memiliki polarisasi sisa dan tidak memerlukan bias DC. Parameter kinerja PMN2PT diberikan. Hal ini dinilai sebagai terobosan langka dan menarik dalam satu dekade sejak munculnya keramik piezoelektrik pada tahun 1950an oleh majalah seperti SCIENCE dan NATURE. Namun masih terdapat kekurangan seperti kekuatan tarik mekanik yang rendah dan berbagai kompleksitas suhu, frekuensi dan medan listrik, serta biaya yang terlalu tinggi. Itu dibuat transduser daya tinggi frekuensi rendah bengkok tipe IV, yang 5 dB lebih tinggi dari transduser dengan struktur yang sama yang terbuat dari bahan PZT28. Bagian badan feroelektrik PMN2X memerlukan medan listrik terpolarisasi DC untuk digunakan sebagai bahan pemancar daya tinggi.