Perkembangan baharu seramik piezo yang digunakan dalam transduser sonar bawah air(2)

Untuk meningkatkan prestasi pengesanan sonar pasif, penyelidikan telah membangunkan hidrofon vektor yang boleh menerima dan menggunakan parameter skalar (tekanan bunyi) dan parameter vektor (kelajuan getaran) dalam medan bunyi, menggunakan sepenuhnya maklumat dalam medan bunyi. Hidrofon vektor dan teknologi pemprosesan isyarat yang sepadan adalah antara teknologi baharu yang sedang dibangunkan di peringkat antarabangsa. aplikasi hidrofon vektor dalam sistem SURTASS menyelesaikan masalah kabur sebelah kiri dan kanan. ia digunakan tatasusunan garis seret hidrofon vektor untuk mengkaji secara sistematik sikap, kelajuan seret dan hingar aliran hidrofon vektor untuk mengesan hidrofon vektor. Pembangunan hidrofon vektor pada asasnya telah mencapai siri struktur dan utiliti berfungsi yang boleh memenuhi keperluan kejuruteraan yang berbeza. Beberapa unit telah memulakan penyelidikan dalam bidang ini. Selepas sedekad penyelidikan dan pengenalan teknologi, mereka juga telah mula bergerak ke arah peringkat praktikal kejuruteraan. Dari segi bentuk struktur, hidrofon kecerunan tekanan bunyi juga dipanggil hidrofon kelajuan getaran, dan boleh dibahagikan kepada hidrofon tekanan bunyi berganda, jenis tekanan berbeza dan jenis sfera penghomogenan. Jenis hidrofon dua bunyi secara langsung terdiri daripada dua hidrofon tekanan bunyi, dan hidrofon kecerunan tekanan bunyi jenis cengkerang tetap mempunyai selongsong tetap, dan hidrofon berlamina berganda seramik piezoelektrik hemisfera piezo dipasang pada selongsong luar, dan tekanannya tetap. Plat elektrik tertakluk kepada getaran lentur di bawah tindakan kecerunan tekanan bunyi dalam arah ketebalannya. Komponen sensitif diletakkan dalam tiga arah ortogon dan mempunyai pusat fasa yang sama, yang membentuk hidrofon vektor tiga dimensi. Selepas hidrofon tekanan bunyi dan hidrofon vektor disepadukan secara struktur, keseluruhannya adalah sfera, dan daya apungan dalam air laut adalah sifar. Hidrofon vektor komposit getaran yang sama (selepas ini dirujuk sebagai hidrofon vektor) dibina, dan isyarat keluaran kedua-duanya diproses. Hidrofon vektor getaran bersama tidak menyentuh air, dan sensor bertindak balas kepada denyutan keseluruhan sensor, memerlukan pemasangan percuma. Contohnya, hidrofon vektor dengan julat frekuensi operasi 20Hz hingga 6000Hz dan Mp =-180dB. Selain hidrofon vektor getaran bersama, terdapat juga jenis tekanan pembezaan. Hidrofon vektor tekanan pembezaan menghubungi air sederhana dan tidak bertindak balas kepada pergerakan keseluruhan sensor, tetapi juga kepada julat frekuensi tinggi. Arah arah hidrofon vektor adalah berbentuk kosinus. Mengasah rasuk arah satu arah dan putaran elektronik rasuk boleh dicapai untuk mencapai orientasi. Kekerapan operasi hidrofon vektor boleh berjulat dari beberapa ratus hertz hingga beberapa puluhan kilohertz. Selepas pemprosesan isyarat, aliran tenaga bunyi boleh menyekat bunyi sebanyak 10-20dB berbanding dengan tenaga isyarat tekanan bunyi. Hidrofon vektor tunggal mempunyai ketepatan orientasi ±2° dan boleh sehingga 1° selepas rawatan khas.

Transduser seramik piezoelektrik

Seawal tahun 1978, dicadangkan fasa seramik piezo dan bahan struktur terikat fasa polimer. Bahan ini mempunyai pekali piezoelektrik hidrostatik yang sangat tinggi berbanding dengan seramik piezoelektrik dan jauh lebih besar daripada seramik piezoelektrik PZT, menjadikannya sesuai untuk aplikasi air dalam. Impedans cirinya adalah kecil, ia mudah dipadankan dengan air, lebar jalur frekuensi, dan ciri-cirinya juga boleh diselaraskan dengan menukar bahagian seramik piezo. Setakat ini, berpuluh-puluh bahan piezoelektrik komposit telah dibangunkan. Antaranya, bahan komposit dua fasa 222, 123 dan 023, 321 umumnya dianggap sebagai penukaran sonar masa depan yang paling menjanjikan. Bahan komposit 023, yang diperbuat daripada bahan serbuk seramik dan getah, ia dipanggil getah piezoelektrik. Ia mempunyai kelembutan dan kelenturan getah, iaitu 20 kali ganda daripada seramik piezoelektrik biasa, yang bersamaan dengan PVDF. Kelebihan ini menjadikannya sesuai untuk hidrofon permukaan. Getah piezoelektrik mudah dibuat tebal beberapa milimeter, yang merupakan kelebihannya berbanding PVDF. Penyelidikan mengenai bahan piezoelektrik komposit berstruktur nano juga telah dijalankan. Ia adalah satu proses di mana seramik piezoelektrik diproses dan kemudian diselitkan ke dalam bahan piezoelektrik komposit. Kaedah lain ialah memproses seramik piezoelektrik menjadi serbuk. Ia kemudiannya disinter dan dibentuk dengan bahan lain. Bidang subjek ini sedang dalam kajian. Sistem Bahan telah berjaya membangunkan modul hidrofon komposit berskala besar dengan saiz standard 250 × 250 mm. Ia juga telah membangunkan model 123 tatasusunan transduser komposit piezoelektrik untuk digunakan dalam koleksi torpedo elektrik ringan dan pangkalan vokal baharu. Ia juga telah membangunkan lajur seramik piezo bersambung 123 dan modul hidrofon elemen permukaan komposit epoksi, saiznya ialah 100 × 180mm, dan membentuk garis muka lebar 18 elemen dan tatasusunan 1.20mm dengan panjang matriks 9mm 60KHz. Kepekaan jalur lebar berikut adalah lebih tinggi daripada -190dB dan turun naik adalah kurang daripada 2dB. Kedua-dua teori dan eksperimen membuktikan bahawa bahan komposit boleh meningkatkan tindak balas pelepasan dan menerima sensitiviti sebanyak 3dB~5dB disebabkan oleh kesan pengecasan super bahan polimer. Selepas menambah penutup keras, kesannya lebih jelas dan boleh dipertingkatkan sebanyak 10dB.

Untuk meningkatkan keupayaan gangguan hingar pergolakan permukaan anti-kapal tatasusunan sisi papan kapal, hidrofon kawasan besar digunakan dalam sonar tatasusunan sisi papan kapal mengikut ciri jejari berkaitan hingar. Filem piezoelektrik PVDF ialah bahan piezoelektrik yang ideal untuk membuat hidrofon kawasan besar. Teksturnya ringan, fleksibel dan mudah dibuat bentuk melengkung. Hidrofon kawasan besar telah dihasilkan dengan filem PVDF seluas 200 × 300 × 0.2 mm, dan kepekaan adalah kira-kira -200 dB dalam julat frekuensi beberapa ratus hertz hingga 4 kHz. Sebagai tambahan kepada filem piezoelektrik PVDF, pada tahun 1990-an, bahan filem piezoelektrik baru PVDF-TrFE (VF2) telah dibangunkan. yang merupakan kopolimer polimer feroelektrik yang terbentuk daripada polyvinylidene fluoride (PVDF) dan polytrifluoroethylene (TrFE), dan merupakan pengubahsuaian sinaran secara elektronik. Bahan baharu ini berpotensi untuk menyelesaikan masalah kestabilan suhu dan tekanan bagi filem piezoelektrik PVDF dan masalah mod sisi, dan kepekaan juga dipertingkatkan sedikit.

Dari 1997 hingga 2000, Institut Seramik dan Universiti Xi'an Jiaotong berturut-turut membangunkan sejenis bahan kristal tunggal elektrik voltan besi santai, yang dirujuk sebagai PMN2PT dan PZN2PT. Bahan ini mempunyai peningkatan yang lebih besar dalam ketumpatan penyimpanan tenaga, pekali gandingan elektromekanikal, pemalar dielektrik dan seumpamanya daripada seramik piezoelektrik biasa, dan mempunyai polarisasi sisa, dan tidak memerlukan pincang DC. Parameter prestasi PMN2PT diberikan. Ia telah dinilai sebagai penemuan yang jarang berlaku dan menarik dalam dekad sejak kemunculan seramik piezoelektrik pada tahun 1950-an oleh majalah seperti SAINS dan ALAM. Walau bagaimanapun, masih terdapat kekurangan seperti kekuatan tegangan mekanikal yang rendah dan pelbagai kerumitan dengan suhu, frekuensi dan medan elektrik, dan kosnya terlalu tinggi. Ia dibuat sebagai transduser kuasa tinggi frekuensi rendah bengkok jenis IV, iaitu 5 dB lebih tinggi daripada transduser dengan struktur yang sama diperbuat daripada bahan PZT28. Sebahagian daripada badan ferroelektrik PMN2X memerlukan medan elektrik polarisasi DC untuk digunakan sebagai bahan pemancar kuasa tinggi.