Nieuwe ontwikkelingen piëzo-keramiek gebruikt in onderwatersonartransducers(2)

Om de detectieprestaties van passieve sonar te verbeteren, heeft onderzoek een vectorhydrofoon ontwikkeld die scalaire parameters (geluidsdruk) en vectorparameters (trillingssnelheid) in het geluidsveld kan ontvangen en gebruiken, waarbij volledig gebruik wordt gemaakt van de informatie in het geluidsveld. Vectorhydrofoons en de bijbehorende signaalverwerkingstechnologieën behoren tot de nieuwe technologieën die momenteel internationaal worden ontwikkeld. de toepassing van vectorhydrofoons in het SURTASS-systeem lost het probleem van de linker- en rechterkantvervaging op. Er wordt gebruik gemaakt van de vectorhydrofoon-sleeplijnarray om systematisch de stand, sleepsnelheid en stromingsruis van de vectorhydrofoon te bestuderen om de vectorhydrofoon te detecteren. De ontwikkeling van vectorhydrofoons heeft in principe geleid tot structurele serialisatie en functionele bruikbaarheid die aan verschillende technische eisen kunnen voldoen. Een aantal eenheden is begonnen met onderzoek op dit gebied. Na een decennium van onderzoek en technologie-introductie zijn ze nu ook op weg naar de praktische fase van engineering. In termen van structurele vorm wordt de hydrofoon met geluidsdrukgradiënt ook wel een hydrofoon met trillingssnelheid genoemd, en kan worden onderverdeeld in een hydrofoon met dubbele geluidsdruk, een drukverschiltype en een homogeniserend bolvormig type. Het hydrofoontype met dubbel geluid is direct samengesteld uit twee geluidsdrukhydrofoons, en de hydrofoon met geluidsdrukgradiënt met vaste schaal heeft een vaste behuizing en de dubbel gelamineerde hydrofoon piëzo-elektrisch halfrond piëzo-keramiek wordt op de buitenbehuizing bevestigd en de druk staat vast. De elektrische plaat wordt onderworpen aan buigtrilling onder invloed van een geluidsdrukgradiënt in de dikterichting ervan. De gevoelige componenten zijn in drie orthogonale richtingen geplaatst en hebben hetzelfde fasecentrum, dat een driedimensionale vectorhydrofoon vormt. Nadat de geluidsdrukhydrofoon en de vectorhydrofoon structureel zijn geïntegreerd, is het geheel bolvormig en is het drijfvermogen in het zeewater nul. Er wordt een samengestelde vectorhydrofoon met dezelfde trilling (hierna een vectorhydrofoon genoemd) geconstrueerd, en de uitgangssignalen van de twee worden verwerkt. De co-vibratie vectorhydrofoon raakt het water niet en de sensor reageert op de algehele pulsatie van de sensor, waardoor een gratis installatie vereist is. Bijvoorbeeld een vectorhydrofoon met een werkfrequentiebereik van 20 Hz tot 6000 Hz en Mp = -180 dB. Naast de co-vibratievectorhydrofoon is er ook een drukverschiltype. De drukverschilvectorhydrofoon maakt contact met het mediumwater en reageert niet op de algehele beweging van de sensor, maar ook op het hoge frequentiebereik. De richtingsgevoeligheid van de vectorhydrofoon is cosinusvormig. Unidirectionele gerichte straalverscherping en elektronische rotatie van de straal kunnen worden bereikt om oriëntatie te bereiken. De werkfrequentie van de vectorhydrofoon kan variëren van enkele honderden hertz tot enkele tientallen kilohertz. Na de signaalverwerking kan de geluidsenergiestroom de ruis met 10-20 dB onderdrukken in vergelijking met de geluidsdruksignaalenergie. De enkele vectorhydrofoon heeft een oriëntatienauwkeurigheid van ±2° en kan na speciale behandeling tot 1° oplopen.

Piëzo-elektrische keramische transducer

Al in 1978 wordt een piëzo-keramische fase en een polymeerfase-gebonden structuurmateriaal voorgesteld. Dit materiaal heeft een bijzonder hoge hydrostatische piëzo-elektrische coëfficiënt vergeleken met piëzo-elektrische keramiek en is veel groter dan PZT-piëzo-elektrische keramiek, waardoor het ideaal is voor toepassingen in diep water. De karakteristieke impedantie is klein, gemakkelijk te matchen met water, frequentiebandbreedte en de kenmerken kunnen ook worden aangepast door het aandeel piëzo-keramiek te veranderen. Tot nu toe zijn tientallen samengestelde piëzo-elektrische materialen ontwikkeld. Onder hen worden de tweefasige composietmaterialen 222, 123 en 023, 321 algemeen beschouwd als de meest veelbelovende toekomstige sonarconversie. Het 023-composietmateriaal, dat is gemaakt van keramisch poedermateriaal en rubber, wordt piëzo-elektrisch rubber genoemd. Het heeft de zachtheid en flexibiliteit van rubber, wat twintig keer zo groot is als die van gewone piëzo-elektrische keramiek, wat overeenkomt met PVDF. Deze voordelen maken het geschikt voor oppervlaktehydrofoons. Piëzo-elektrisch rubber is gemakkelijk enkele millimeters dik te maken, wat het voordeel is ten opzichte van PVDF. Er is ook onderzoek gedaan naar piëzo-elektrische composietmaterialen met nanostructuur. Het is een proces waarbij piëzo-elektrische keramiek wordt verwerkt en vervolgens in samengestelde piëzo-elektrische materialen wordt gegoten. Een andere methode is het verwerken van piëzo-elektrische keramiek tot poeders. Vervolgens wordt het gesinterd en gevormd met andere materialen. Dit vakgebied wordt momenteel onderzocht. Materials Systems heeft met succes een grootschalige composiet hydrofoonmodule ontwikkeld met een standaardformaat van 250 × 250 mm. Het heeft ook een model 123 ontwikkeld piëzo-elektrische composiet transducerarray voor gebruik in nieuwe lichtgewicht elektrische torpedocollectie en vocale bases. Het heeft ook een 123-verbonden piëzo-keramische kolom en hydrofoonmodule van epoxycomposiet oppervlakte-element ontwikkeld, de afmeting is 100 x 180 mm en vormt een 18-elementen wide-face line array met een matrixlengte van 1,9 m en een breedte van 200 mm bij 60 kHz. De volgende breedbandgevoeligheid is hoger dan -190 dB en de fluctuatie is minder dan 2 dB. Zowel theorie als experiment bewijzen dat het composietmateriaal de emissierespons en ontvangstgevoeligheid met 3dB ~ 5dB kan verhogen als gevolg van het superladingseffect van het polymeermateriaal. Na het toevoegen van de harde kaft is het effect duidelijker en kan het met 10 dB worden verbeterd.

Om het interferentievermogen door turbulentiegeluid van het anti-scheepsoppervlak van de scheepszijarray-sonar te verbeteren, wordt in de scheepszijarray-sonar een hydrofoon met groot oppervlak gebruikt in overeenstemming met de kenmerken van de geluidsgerelateerde straal. PVDF-piëzo-elektrische film is een ideaal piëzo-elektrisch materiaal voor het maken van hydrofoons met een groot oppervlak. Het is licht van structuur, flexibel en gemakkelijk om een ​​gebogen vorm te maken. Er is een hydrofoon met groot oppervlak geproduceerd met een PVDF-film met een oppervlakte van 200 x 300 x 0,2 mm, en de gevoeligheid is ongeveer -200 dB in het frequentiebereik van enkele honderden hertz tot 4 kHz. Naast PVDF-piëzo-elektrische films werd in de jaren negentig een nieuw piëzo-elektrisch filmmateriaal PVDF-TrFE (VF2) ontwikkeld. dat is een ferro-elektrisch polymeercopolymeer gevormd uit polyvinylideenfluoride (PVDF) en polytrifluorethyleen (TrFE), en is elektronische stralingsmodificatie. Dit nieuwe materiaal heeft het potentieel om de temperatuur- en drukstabiliteitsproblemen van PVDF-piëzo-elektrische films en laterale modusproblemen op te lossen, en de gevoeligheid is ook enigszins verbeterd.

Van 1997 tot 2000 ontwikkelden het Instituut voor Keramiek en de Xi'an Jiaotong Universiteit achtereenvolgens een soort elektrisch monokristallijn materiaal met ontspannen ijzerspanning, aangeduid als PMN2PT en PZN2PT. Dit materiaal heeft een grotere verbetering in energieopslagdichtheid, elektromechanische koppelingscoëfficiënt, diëlektrische constante en dergelijke dan gewone piëzo-elektrische keramiek, en heeft restpolarisatie en vereist geen gelijkstroomvoorspanning. De prestatieparameters van PMN2PT worden gegeven. Het wordt door tijdschriften als SCIENCE en NATURE beoordeeld als een zeldzame en opwindende doorbraak in de tien jaar sinds de komst van piëzo-elektrische keramiek in de jaren vijftig. Er zijn echter nog steeds tekortkomingen, zoals een lage mechanische treksterkte en verschillende complexiteiten met temperatuur, frequentie en elektrisch veld, en de kosten zijn te hoog. Het is gemaakt van een type IV gebogen transducer met lage frequentie en hoog vermogen, die 5 dB hoger is dan de transducer met dezelfde structuur gemaakt van PZT28-materiaal. Een deel van het ferro-elektrische lichaam van PMN2X heeft een DC-gepolariseerd elektrisch veld nodig om te kunnen worden gebruikt als materiaal dat een hoog vermogen uitzendt.