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パッシブソナーの探知性能を向上させるため、音場の情報を最大限に活用し、音場のスカラーパラメータ（音圧）とベクトルパラメータ（振動速度）を受信・利用できるベクトルハイドロフォンの研究を行っています。ベクトル水中聴音器とそれに対応する信号処理技術は、現在国際的に開発されている新技術の 1 つです。 SURTASS システムにベクトル水中聴音器を適用すると、左右のブレの問題が解決されます。ベクトル水中聴音器の姿勢、抗力速度、流れノイズを体系的に研究してベクトル水中聴音器を検出するために、ベクトル水中聴音器の抗力ライン アレイが使用されます。ベクトル水中聴音器の開発は、基本的に、さまざまなエンジニアリング要件を満たすことができる構造的シリアル化と機能的実用性を達成しました。多くのユニットがこの分野の研究を開始しています。 10年にわたる研究と技術導入を経て、工学の実用化段階にも向けて動き始めている。構造形式の観点から、音圧勾配ハイドロフォンは振動速度ハイドロフォンとも呼ばれ、二重音圧ハイドロフォン、差圧型、均質化球型ハイドロフォンに分類できます。二重音圧ハイドロフォン型は2つの音圧ハイドロフォンで直接構成され、固定シェル型音圧勾配型ハイドロフォンは固定ケーシングを持ち、二重積層型です。 圧電半球の圧電セラミックス が外装ケースに固定されており、圧力が固定されます。電気板は、厚み方向の音圧勾配の作用により曲げ振動する。感知コンポーネントは 3 つの直交方向に配置され、同じ位相中心を持ち、3 次元ベクトル水中聴音器を構成します。音圧ハイドロフォンとベクトルハイドロフォンが構造的に統合された後、全体は球形になり、海水中での浮力はゼロになります。同一振動複合ベクトル水中聴音器（以下、ベクトル水中聴音器と呼ぶ）を構築し、両者の出力信号を処理する。共振動ベクトル水中聴音器は水に触れず、センサーはセンサー全体の脈動に応答するため、自由な設置が必要です。たとえば、動作周波数範囲が 20Hz ～ 6000Hz、Mp =-180dB のベクトル水中聴音器です。共振動ベクトルハイドロホンの他に差圧式もございます。差圧ベクトル水中聴音器は媒体水と接触し、センサーの全体的な動きではなく、高周波範囲にも反応します。ベクトル水中聴音器の指向性はコサイン形状です。一方向の指向性ビームの先鋭化とビームの電子回転を実現して、配向を実現できます。ベクトル水中聴音器の動作周波数は、数百ヘルツから数十キロヘルツの範囲に及びます。信号処理後の音エネルギーの流れは、音圧信号エネルギーと比較してノイズを10〜20dB抑制できます。シングル ベクトル ハイドロフォンの方向精度は ±2° で、特別な処理を施した後は最大 1° になります。
圧電セラミックストランスデューサ
1978 年にはすでに、圧電セラミック相とポリマー相が結合した構造材料が提案されています。この材料は、圧電セラミックと比較して特に高い静水圧電係数を持ち、PZT 圧電セラミックよりもはるかに大きいため、深水用途に最適です。特性インピーダンスが小さく、水や周波数帯域との整合が容易で、ピエゾセラミックスの割合を変えることで特性の調整も可能です。これまでに数十の複合圧電材料が開発されてきました。その中で、222、123および023、321二相複合材料は、一般的に将来のソナー変換に最も有望であると考えられています。023複合材料は、セラミック粉末材料とゴムで作られており、圧電ゴムと呼ばれます。通常の圧電セラミックスの20倍、ゴムのような柔らかさと柔軟性を持ち、PVDFと同等です。これらの利点により、表面ハイドロフォンに適しています。圧電ゴムは数ミリメートルの厚さを容易に作ることができ、これが PVDF に比べて有利です。ナノ構造複合圧電材料の研究も行われています。これは、圧電セラミックスを加工し、複合圧電材料に注入するプロセスです。圧電セラミックスを粉末に加工する方法もあります。その後、他の材料とともに焼結して形成されます。この主題分野は現在研究中です。マテリアルズ システムズは、標準サイズ 250 × 250 mm の大型複合ハイドロフォン モジュールの開発に成功しました。モデル123も開発しました。 また、123接続の圧電 セラミックコラムとエポキシ複合表面素子ハイドロホンモジュールも開発しました。サイズは100×180mmで、60KHzでマトリックス長1.9m、幅200mmの18素子ワイドフェイスラインアレイを構成します。以下の広帯域感度は -190dB より高く、変動は 2dB 未満です。理論と実験の両方により、複合材料はポリマー材料の過給効果により、発光応答と受信感度を3dB〜5dB増加させることができることが証明されています。ハードカバーを追加すると効果はより顕著になり、10dB 改善できます。
船側アレイソナーの対艦面の乱気流騒音干渉能力を向上させるために、騒音関連半径の特性に応じて、大面積の水中聴音器を船側アレイソナーに使用する。 PVDF 圧電フィルムは、大面積の水中聴音器の製造に理想的な圧電材料です。軽い質感で柔軟性があり、曲線的な形状も作りやすいです。面積200×300×0.2mmのPVDFフィルムで大面積の水中聴音器を作製しており、感度は数百Hz～4kHzの周波数範囲で約-200dBとなっています。 PVDF 圧電膜に加えて、1990 年代には新しい圧電膜材料 PVDF-TrFE (VF2) が開発されました。これは、ポリフッ化ビニリデン (PVDF) とポリトリフルオロエチレン (TrFE) で形成された強誘電性ポリマーコポリマーであり、電子放射線修飾されています。この新しい材料は、PVDF 圧電膜の温度と圧力の安定性の問題と横モードの問題を解決する可能性があり、感度も若干改善されています。
1997 年から 2000 年にかけて、陶磁器研究所と西安交通大学は、PMN2PT および PZN2PT と呼ばれる一種の緩和鉄電圧電気単結晶材料を連続的に開発しました。この材料は、通常の圧電セラミックスに比べてエネルギー貯蔵密度、電気機械結合係数、誘電率などが大幅に向上しており、残留分極を有しており、DCバイアスが不要である。 PMN2PTの性能パラメータを示します。 SCIENCE や NATURE などの雑誌では、1950 年代の圧電セラミックスの出現以来 10 年間で、これはまれでエキサイティングな進歩であると評価されています。しかし、機械的引張強度が低いことや、温度、周波数、電場に関するさまざまな複雑さなどの欠点が依然としてあり、コストが高すぎます。これは、タイプ IV の曲げ低周波高出力トランスデューサーであり、PZT28 材料で作られた同じ構造のトランスデューサーよりも 5 dB 高くなります。 PMN2X の強誘電体の一部は、高出力発光材料として使用されるために DC 分極電場を必要とします。
