Nye utviklinger av piezokeramikk brukt i undervanns sonartransdusere(2)

For å forbedre deteksjonsytelsen til passive ekkolodd, har forskning utviklet en vektorhydrofon som kan motta og utnytte skalarparametre (lydtrykk) og vektorparametere (vibrasjonshastighet) i lydfeltet, og utnytte informasjonen i lydfeltet fullt ut. Vektorhydrofoner og deres tilsvarende signalbehandlingsteknologier er blant de nye teknologiene som for tiden utvikles internasjonalt. bruken av vektorhydrofoner i SURTASS-systemet løser problemet med uskarphet på venstre og høyre side. Det brukes vektorhydrofonens dragline-array for å systematisk studere holdningen, drahastigheten og flytstøyen til vektorhydrofonen for å oppdage vektorhydrofonen. Utviklingen av vektorhydrofoner har i utgangspunktet oppnådd strukturell serialisering og funksjonell nytte som kan møte ulike tekniske krav. En rekke enheter har startet forskning på dette området. Etter et tiår med introduksjon av forskning og teknologi, har de også begynt å bevege seg mot den praktiske fasen av ingeniørfaget. Når det gjelder strukturell form, kalles lydtrykkgradienthydrofonen også en vibrasjonshastighetshydrofon, og kan deles inn i en dobbel lydtrykkhydrofon, en differensialtrykktype og en homogeniserende sfærisk type. Dobbellydhydrofontypen er direkte sammensatt av to lydtrykkhydrofoner, og lydtrykkgradienthydrofonen med fastskall har et fast foringsrør, og den doble laminerte hydrofonen. piezoelektrisk halvkule piezokeramikk er festet på det ytre dekselet, og trykket er fikset. Den elektriske platen utsettes for bøyningsvibrasjoner under påvirkning av en lydtrykkgradient i tykkelsesretningen derav. De sensitive komponentene er plassert i tre ortogonale retninger og har samme fasesenter, som utgjør en tredimensjonal vektorhydrofon. Etter at lydtrykkhydrofonen og vektorhydrofonen er strukturelt integrert, er helheten sfærisk, og oppdriften i sjøvannet er null. Den sammensatte vektorhydrofonen med samme vibrasjon (heretter referert til som en vektorhydrofon) er konstruert, og utgangssignalene til de to behandles. Samvibrasjonsvektorhydrofonen berører ikke vannet, og sensoren reagerer på sensorens generelle pulsering, og krever gratis installasjon. For eksempel vektorhydrofon med et driftsfrekvensområde på 20Hz til 6000Hz og Mp =-180dB. I tillegg til samvibrasjonsvektorhydrofonen finnes det også en differensialtrykktype. Differansetrykkvektorhydrofonen kontakter mediumvannet og reagerer ikke på sensorens generelle bevegelse, men også på høyfrekvensområdet. Retningsevnen til vektorhydrofonen er cosinusformet. Enveis retningsbestemt strålesliping og elektronisk rotasjon av strålen kan oppnås for å oppnå orientering. Driftsfrekvensen til vektorhydrofonen kan variere fra noen få hundre hertz til flere titalls kilohertz. Etter signalbehandlingen kan lydenergistrømmen undertrykke støyen med 10-20dB sammenlignet med lydtrykksignalenergien. Enkelvektorhydrofonen har en orienteringsnøyaktighet på ±2° og kan være opptil 1° etter spesialbehandling.

Piezoelektrisk keramisk transduser

Så tidlig som i 1978 ble det foreslått en piezokeramisk fase og et polymerfasebundet strukturmateriale. Dette materialet har en spesielt høy hydrostatisk piezoelektrisk koeffisient sammenlignet med piezoelektrisk keramikk og er mye større enn PZT piezoelektrisk keramikk, noe som gjør det ideelt for dypvannsapplikasjoner. Dens karakteristiske impedans er liten, den er lett å matche med vann, frekvensbåndbredde, og egenskapene kan også justeres ved å endre andelen piezokeramikk. Så langt har dusinvis av kompositt piezoelektriske materialer blitt utviklet. Blant dem er 222, 123 og 023, 321 to-fase komposittmaterialer generelt ansett for å være den mest lovende fremtidige ekkoloddkonverteringen. 023 komposittmaterialet, som er laget av keramisk pulvermateriale og gummi, kalles piezoelektrisk gummi. Den har mykheten og fleksibiliteten til gummi, som er 20 ganger så stor som vanlig piezoelektrisk keramikk, som tilsvarer PVDF. Disse fordelene gjør den egnet for overflatehydrofoner. Piezoelektrisk gummi er lett å lage noen få millimeter tykk, noe som er fordelen fremfor PVDF. Det er også utført forskning på nanostrukturerte piezoelektriske komposittmaterialer. Det er en prosess der piezoelektrisk keramikk blir behandlet og deretter infundert i kompositt piezoelektriske materialer. En annen metode er å bearbeide piezoelektrisk keramikk til pulver. Det sintres deretter og formes med andre materialer. Dette fagområdet er for tiden under utredning. Materials Systems har med suksess utviklet en storskala kompositthydrofonmodul med en standardstørrelse på 250 × 250 mm. Den har også utviklet en modell 123 piezoelektrisk kompositt-svinger -array for bruk i nye lette elektriske torpedo-samlinger og vokalbaser. Den har også utviklet en 123-koblet piezo-keramisk søyle og epoksy-kompositt-overflateelement-hydrofonmodul, størrelsen er 100 × 180 mm, og utgjør en 18-elements bredflate-linje med en matrise-linje med 9m. 200mm ved 60KHz. Følgende bredbåndsfølsomhet er høyere enn -190dB og svingningen er mindre enn 2dB. Både teori og eksperimenter beviser at komposittmaterialet kan øke emisjonsresponsen og mottaksfølsomheten med 3dB~5dB på grunn av overladingseffekten til polymermaterialet. Etter å ha lagt til det harde dekselet er effekten mer tydelig og kan forbedres med 10dB.

For å forbedre interferensevnen for turbulensstøy til ekkolodd mot skipsoverflaten på skipssiden, brukes en hydrofon med stort område i ekkoloddet på skipssiden i henhold til egenskapene til den støyrelaterte radiusen. PVDF piezoelektrisk film er et ideelt piezoelektrisk materiale for å lage hydrofoner med stort område. Den er lett i tekstur, fleksibel og lett å lage en buet form. Det er produsert en hydrofon med stort område med en PVDF-film med et areal på 200 × 300 × 0,2 mm, og følsomheten er omtrent -200 dB i frekvensområdet flere hundre hertz til 4 kHz. I tillegg til PVDF piezoelektriske filmer ble det på 1990-tallet utviklet et nytt piezoelektrisk filmmateriale PVDF-TrFE (VF2). som er en ferroelektrisk polymerkopolymer dannet av polyvinylidenfluorid (PVDF) og polytrifluoretylen (TrFE), og er elektronisk strålingsmodifikasjon. Dette nye materialet har potensial til å løse temperatur- og trykkstabilitetsproblemene til PVDF piezoelektriske filmer og problemer med sidemodus, og følsomheten er også litt forbedret.

Fra 1997 til 2000 utviklet Institute of Ceramics og Xi'an Jiaotong University suksessivt en slags avslappet jernspennings elektrisk enkrystallmateriale, referert til som PMN2PT og PZN2PT. Dette materialet har en større forbedring i energilagringstetthet, elektromekanisk koblingskoeffisient, dielektrisitetskonstant og lignende enn vanlig piezoelektrisk keramikk, og har gjenværende polarisering, og krever ikke en DC-forspenning. Ytelsesparametrene til PMN2PT er gitt. Det har blitt vurdert som et sjeldent og spennende gjennombrudd i tiåret siden fremkomsten av piezoelektrisk keramikk på 1950-tallet av magasiner som SCIENCE og NATURE. Imidlertid er det fortsatt mangler som lav mekanisk strekkfasthet og ulike kompleksiteter med temperatur, frekvens og elektrisk felt, og kostnadene er for høye. Den er laget av en type IV bøyd lavfrekvent høyeffektsvinger, som er 5 dB høyere enn svingeren med samme struktur laget av PZT28-materiale. En del av den ferroelektriske kroppen til PMN2X trenger et DC-polarisert elektrisk felt for å kunne brukes som et materiale som avgir høy effekt.