Nuovi sviluppi ceramiche piezoelettriche utilizzate nei trasduttori sonar subacquei(2)

Al fine di migliorare le prestazioni di rilevamento del sonar passivo, la ricerca ha sviluppato un idrofono vettoriale in grado di ricevere e utilizzare parametri scalari (pressione sonora) e parametri vettoriali (velocità di vibrazione) nel campo sonoro, sfruttando appieno le informazioni nel campo sonoro. Gli idrofoni vettoriali e le relative tecnologie di elaborazione del segnale rientrano tra le nuove tecnologie attualmente in fase di sviluppo a livello internazionale. l'applicazione degli idrofoni vettoriali nel sistema SURTASS risolve il problema della sfocatura dei lati sinistro e destro. Viene utilizzato l'array di linee di trascinamento dell'idrofono vettoriale per studiare sistematicamente l'assetto, la velocità di trascinamento e il rumore del flusso dell'idrofono vettoriale per rilevare l'idrofono vettoriale. Lo sviluppo degli idrofoni vettoriali ha sostanzialmente raggiunto la serializzazione strutturale e l'utilità funzionale in grado di soddisfare diversi requisiti ingegneristici. Diverse unità hanno iniziato la ricerca in questo settore. Dopo un decennio di ricerca e di introduzione della tecnologia, hanno iniziato a muoversi verso la fase pratica dell'ingegneria. In termini di forma strutturale, l'idrofono a gradiente di pressione sonora è anche chiamato idrofono a velocità di vibrazione e può essere suddiviso in un idrofono a doppia pressione sonora, un tipo a pressione differenziale e un tipo sferico omogeneizzante. Il tipo di idrofono a doppio suono è composto direttamente da due idrofoni a pressione sonora, mentre l'idrofono a gradiente di pressione sonora di tipo a guscio fisso ha un involucro fisso e il doppio laminato La ceramica piezoelettrica dell'emisfero piezoelettrico è fissata sull'involucro esterno e la pressione è fissa. La piastra elettrica è sottoposta a vibrazione flessionale sotto l'azione di un gradiente di pressione sonora nella direzione del suo spessore. I componenti sensibili sono disposti in tre direzioni ortogonali e hanno lo stesso centro di fase, il che costituisce un idrofono vettoriale tridimensionale. Dopo che l'idrofono a pressione sonora e l'idrofono vettoriale sono strutturalmente integrati, il tutto è sferico e la galleggiabilità nell'acqua di mare è pari a zero. Viene costruito l'idrofono vettoriale composito con la stessa vibrazione (di seguito denominato idrofono vettoriale) e i segnali di uscita dei due vengono elaborati. L'idrofono vettoriale a co-vibrazione non tocca l'acqua e il sensore risponde alla pulsazione complessiva del sensore, richiedendo un'installazione gratuita. Ad esempio, idrofono vettoriale con un intervallo di frequenza operativa da 20 Hz a 6000 Hz e Mp = -180 dB. Oltre all'idrofono vettoriale a co-vibrazione, esiste anche un idrofono a pressione differenziale. L'idrofono vettoriale a pressione differenziale entra in contatto con l'acqua del mezzo e non risponde al movimento complessivo del sensore, ma anche alla gamma ad alta frequenza. La direzionalità dell'idrofono vettoriale è a forma di coseno. Per ottenere l'orientamento è possibile ottenere l'affilatura del raggio direzionale unidirezionale e la rotazione elettronica del raggio. La frequenza operativa dell'idrofono vettoriale può variare da poche centinaia di hertz a diverse decine di kilohertz. Dopo l'elaborazione del segnale, il flusso di energia sonora può sopprimere il rumore di 10-20 dB rispetto all'energia del segnale della pressione sonora. L'idrofono a vettore singolo ha una precisione di orientamento di ±2° e può arrivare fino a 1° dopo un trattamento speciale.

Trasduttore ceramico piezoelettrico

Già nel 1978 viene proposta una fase piezoceramica e un materiale strutturale legato alla fase polimerica. Questo materiale ha un coefficiente piezoelettrico idrostatico particolarmente elevato rispetto alla ceramica piezoelettrica ed è molto più grande della ceramica piezoelettrica PZT, rendendolo ideale per applicazioni in acque profonde. La sua impedenza caratteristica è piccola, è facile da abbinare all'acqua, alla larghezza di banda di frequenza e le sue caratteristiche possono anche essere regolate modificando la proporzione delle ceramiche piezoelettriche. Finora sono state sviluppate dozzine di materiali piezoelettrici compositi. Tra questi, i materiali compositi bifase 222, 123 e 023, 321 sono generalmente considerati la conversione futura del sonar più promettente. Il materiale composito 023, costituito da materiale in polvere ceramica e gomma, è chiamato gomma piezoelettrica. Ha la morbidezza e la flessibilità della gomma, che è 20 volte quella della normale ceramica piezoelettrica, che equivale al PVDF. Questi vantaggi lo rendono adatto per idrofoni di superficie. La gomma piezoelettrica è facile da produrre con uno spessore di pochi millimetri, che è il suo vantaggio rispetto al PVDF. È stata inoltre condotta ricerca sui materiali piezoelettrici compositi nanostrutturati. È un processo in cui le ceramiche piezoelettriche vengono lavorate e quindi infuse in materiali piezoelettrici compositi. Un altro metodo consiste nel trasformare la ceramica piezoelettrica in polveri. Viene quindi sinterizzato e formato con altri materiali. Quest'area tematica è attualmente in fase di studio. Materials Systems ha sviluppato con successo un modulo idrofono composito su larga scala con una dimensione standard di 250 × 250 mm. Ha anche sviluppato un modello 123 array di trasduttori compositi piezoelettrici da utilizzare nella nuova raccolta di siluri elettrici leggeri e basi vocali. Ha inoltre sviluppato una colonna piezoceramica da 123 collegamenti e un modulo idrofono con elementi di superficie compositi epossidici, la dimensione è 100 × 180 mm e costituisce un line array a faccia larga da 18 elementi con una lunghezza della matrice di 1,9 m e una larghezza di 200 mm a 60 KHz. La seguente sensibilità a banda larga è superiore a -190 dB e la fluttuazione è inferiore a 2 dB. Sia la teoria che gli esperimenti dimostrano che il materiale composito può aumentare la risposta di emissione e la sensibilità di ricezione di 3 dB~5 dB grazie all'effetto di sovralimentazione del materiale polimerico. Dopo aver aggiunto la copertina rigida, l'effetto è più evidente e può essere migliorato di 10 dB.

Al fine di migliorare la capacità di interferenza del rumore turbolento della superficie antinave del sonar side array di bordo, nel sonar side array di bordo viene utilizzato un idrofono di ampia area in base alle caratteristiche del raggio correlato al rumore. La pellicola piezoelettrica PVDF è un materiale piezoelettrico ideale per realizzare idrofoni di grandi dimensioni. Ha una consistenza leggera, flessibile e facile da realizzare una forma curva. È stato prodotto un idrofono di grandi dimensioni con una pellicola PVDF di un'area di 200 × 300 × 0,2 mm e la sensibilità è di circa -200 dB nella gamma di frequenze da diverse centinaia di Hertz a 4 kHz. Oltre alle pellicole piezoelettriche in PVDF, negli anni '90 è stato sviluppato un nuovo materiale per pellicole piezoelettriche PVDF-TrFE (VF2). che è un copolimero polimerico ferroelettrico formato da polivinilidene fluoruro (PVDF) e politrifluoroetilene (TrFE) ed è una modifica elettronica della radiazione. Questo nuovo materiale ha il potenziale per risolvere i problemi di stabilità della temperatura e della pressione dei film piezoelettrici in PVDF e i problemi della modalità laterale, e anche la sensibilità è leggermente migliorata.

Dal 1997 al 2000, l'Istituto di Ceramica e l'Università di Xi'an Jiaotong hanno sviluppato successivamente un tipo di materiale monocristallino elettrico a tensione di ferro rilassata, denominato PMN2PT e PZN2PT. Questo materiale presenta un miglioramento maggiore in termini di densità di accumulo di energia, coefficiente di accoppiamento elettromeccanico, costante dielettrica e simili rispetto alla ceramica piezoelettrica ordinaria, ha polarizzazione residua e non richiede polarizzazione CC. Vengono forniti i parametri prestazionali di PMN2PT. È stato valutato come una svolta rara ed entusiasmante nel decennio successivo all'avvento della ceramica piezoelettrica negli anni '50 da riviste come SCIENCE e NATURE. Tuttavia, ci sono ancora delle carenze, come la bassa resistenza alla trazione meccanica e varie complessità legate alla temperatura, alla frequenza e al campo elettrico, e il costo è troppo elevato. È realizzato un trasduttore ad alta potenza a bassa frequenza piegato di tipo IV, che è 5 dB più alto del trasduttore con la stessa struttura in materiale PZT28. Una parte del corpo ferroelettrico del PMN2X necessita di un campo elettrico polarizzato in corrente continua per essere utilizzata come materiale che emette ad alta potenza.