Nowe rozwiązania w zakresie ceramiki piezoelektrycznej stosowanej w podwodnych przetwornikach sonarowych(2)

Aby poprawić skuteczność wykrywania sonaru pasywnego, w ramach badań opracowano hydrofon wektorowy, który może odbierać i wykorzystywać parametry skalarne (ciśnienie akustyczne) i parametry wektorowe (prędkość wibracji) w polu dźwiękowym, w pełni wykorzystując informacje zawarte w polu dźwiękowym. Hydrofony wektorowe i odpowiadające im technologie przetwarzania sygnałów należą do nowych technologii rozwijanych obecnie na arenie międzynarodowej. zastosowanie hydrofonów wektorowych w systemie SURTASS rozwiązuje problem rozmycia lewej i prawej strony. Wykorzystuje się układ linii oporu wektorów hydrofonów do systematycznego badania położenia, prędkości oporu i hałasu przepływu hydrofonu wektorowego w celu wykrycia hydrofonu wektorowego. Rozwój hydrofonów wektorowych zasadniczo pozwolił na serializację strukturalną i użyteczność funkcjonalną, która może spełnić różne wymagania inżynieryjne. Wiele jednostek rozpoczęło badania w tym obszarze. Po dziesięciu latach wprowadzania badań i technologii zaczęli oni również zmierzać w stronę praktycznego etapu inżynierii. Pod względem formy strukturalnej hydrofon z gradientem ciśnienia akustycznego nazywany jest również hydrofonem prędkości wibracji i można go podzielić na hydrofon z podwójnym ciśnieniem, hydrofon różnicowy i homogenizujący typ kulisty. Hydrofon z podwójnym dźwiękiem składa się bezpośrednio z dwóch hydrofonów ciśnienia akustycznego, a hydrofon z gradientem ciśnienia akustycznego ze stałą powłoką ma stałą obudowę i podwójnie laminowany Ceramika piezoelektryczna półkuli piezoelektrycznej jest przymocowana do obudowy zewnętrznej, a ciśnienie jest stałe. Płyta elektryczna poddawana jest drganiom zginającym pod wpływem gradientu ciśnienia akustycznego w kierunku jej grubości. Czułe elementy są rozmieszczone w trzech prostopadłych kierunkach i mają ten sam środek fazowy, który stanowi trójwymiarowy hydrofon wektorowy. Po strukturalnym zintegrowaniu hydrofonu ciśnienia akustycznego z hydrofonem wektorowym całość ma kształt kulisty, a wyporność w wodzie morskiej wynosi zero. Konstruuje się złożony hydrofon wektorowy o tych samych wibracjach (zwany dalej hydrofonem wektorowym) i przetwarzane są sygnały wyjściowe obu z nich. Hydrofon wektora wibracji nie dotyka wody, a czujnik reaguje na ogólną pulsację czujnika, co wymaga swobodnego montażu. Na przykład hydrofon wektorowy o zakresie częstotliwości roboczej od 20 Hz do 6000 Hz i Mp = -180 dB. Oprócz hydrofonu wektorowego współwibracji istnieje również hydrofon różnicowy. Hydrofon wektora różnicy ciśnień styka się z wodą medium i reaguje nie na całkowity ruch czujnika, ale także na zakres wysokich częstotliwości. Kierunkowość hydrofonu wektorowego ma kształt cosinus. W celu uzyskania orientacji można uzyskać jednokierunkowe ostrzenie wiązki i elektroniczny obrót wiązki. Częstotliwość robocza hydrofonu wektorowego może wynosić od kilkuset herców do kilkudziesięciu kiloherców. Po przetworzeniu sygnału przepływ energii dźwiękowej może stłumić hałas o 10-20 dB w porównaniu z energią sygnału ciśnienia akustycznego. Hydrofon jednowektorowy charakteryzuje się dokładnością orientacji wynoszącą ±2°, a po specjalnej obróbce może wynosić do 1°.

Piezoelektryczny przetwornik ceramiczny

Już w 1978 roku zaproponowano fazę piezoceramiczną i materiał konstrukcyjny związany z fazą polimerową. Materiał ten ma szczególnie wysoki współczynnik hydrostatyczny piezoelektryczny w porównaniu z ceramiką piezoelektryczną i jest znacznie większy niż ceramika piezoelektryczna PZT, co czyni go idealnym do zastosowań głębokowodnych. Jego impedancja charakterystyczna jest niewielka, łatwo go dopasować do wody, pasma częstotliwości, a jego charakterystykę można również regulować poprzez zmianę proporcji ceramiki piezoelektrycznej. Do tej pory opracowano dziesiątki kompozytowych materiałów piezoelektrycznych. Wśród nich dwufazowe materiały kompozytowe 222, 123 i 023, 321 są ogólnie uważane za najbardziej obiecującą przyszłą konwersję sonaru. Materiał kompozytowy 023, który jest wykonany z proszku ceramicznego i gumy, nazywany jest gumą piezoelektryczną. Ma miękkość i elastyczność gumy, która jest 20 razy większa niż w przypadku zwykłej ceramiki piezoelektrycznej, co odpowiada PVDF. Te zalety sprawiają, że nadaje się do hydrofonów powierzchniowych. Kauczuk piezoelektryczny można łatwo wykonać o grubości kilku milimetrów, co jest jego przewagą nad PVDF. Prowadzono także badania nad nanostrukturalnymi kompozytowymi materiałami piezoelektrycznymi. Jest to proces, w którym ceramika piezoelektryczna jest przetwarzana, a następnie wtapiana w kompozytowe materiały piezoelektryczne. Inną metodą jest przetwarzanie ceramiki piezoelektrycznej na proszki. Następnie jest spiekany i formowany z innymi materiałami. Ten obszar tematyczny jest obecnie w trakcie studiów. Firma Materials Systems z sukcesem opracowała wielkogabarytowy kompozytowy moduł hydrofonowy o standardowym rozmiarze 250 × 250 mm. Opracowano także model 123 piezoelektryczny układ kompozytowych przetworników do stosowania w nowych lekkich elektrycznych torpedach i podstawach wokalnych. Opracowano także 123-połączoną kolumnę piezoceramiczną i moduł hydrofonu z kompozytowymi epoksydowymi elementami powierzchniowymi o wymiarach 100 × 180 mm i stanowiący 18-elementowy układ liniowy o szerokiej powierzchni z matrycą o długości 1,9 m i szerokości 200 mm przy 60 kHz. Następująca czułość szerokopasmowa jest wyższa niż -190 dB, a wahania są mniejsze niż 2 dB. Zarówno teoria, jak i eksperyment dowodzą, że materiał kompozytowy może zwiększyć odpowiedź emisyjną i czułość odbioru o 3 dB ~ 5 dB ze względu na efekt doładowania materiału polimerowego. Po dodaniu twardej osłony efekt jest bardziej widoczny i można go poprawić o 10 dB.

W celu poprawy zdolności zakłócania hałasu turbulencyjnego powierzchni przeciwokrętowej sonaru pokładowego, w sonarze pokładowym stosuje się hydrofon o dużej powierzchni, zgodnie z charakterystyką promienia związanego z hałasem. Folia piezoelektryczna PVDF jest idealnym materiałem piezoelektrycznym do produkcji hydrofonów wielkopowierzchniowych. Ma lekką konsystencję, jest elastyczny i łatwo nadaje się do zakrzywionego kształtu. Hydrofon wielkopowierzchniowy został wyprodukowany z folii PVDF o powierzchni 200 × 300 × 0,2 mm, a czułość wynosi około -200 dB w zakresie częstotliwości od kilkuset herców do 4 kHz. Oprócz folii piezoelektrycznych PVDF w latach 90. XX wieku opracowano nowy materiał folii piezoelektrycznej PVDF-TrFE (VF2). który jest kopolimerem polimeru ferroelektrycznego utworzonym z polifluorku winylidenu (PVDF) i politrifluoroetylenu (TrFE) i jest modyfikowany elektronicznie promieniowaniem. Ten nowy materiał może rozwiązać problemy związane ze stabilnością temperatury i ciśnienia folii piezoelektrycznych PVDF oraz problemy związane z trybem bocznym, a także nieznacznie poprawia czułość.

W latach 1997-2000 Instytut Ceramiki i Uniwersytet Xi'an Jiaotong sukcesywnie opracowywały rodzaj elektrycznego monokrystalicznego materiału o napięciu rozluźnionym żelazem, określanego jako PMN2PT i PZN2PT. Materiał ten charakteryzuje się większą poprawą gęstości magazynowania energii, współczynnika sprzężenia elektromechanicznego, stałej dielektrycznej i tym podobnych niż zwykła ceramika piezoelektryczna, a także ma polaryzację szczątkową i nie wymaga polaryzacji DC. Podano parametry użytkowe PMN2PT. Magazyny takie jak SCIENCE i NATURE uznały go za rzadki i ekscytujący przełom w dekadzie od pojawienia się ceramiki piezoelektrycznej w latach pięćdziesiątych XX wieku. Jednakże nadal występują niedociągnięcia, takie jak niska wytrzymałość mechaniczna na rozciąganie i różne komplikacje związane z temperaturą, częstotliwością i polem elektrycznym, a koszt jest zbyt wysoki. Wykonany jest z wygiętego przetwornika niskoczęstotliwościowego typu IV o dużej mocy, który jest o 5 dB wyższy od przetwornika o tej samej konstrukcji wykonanego z materiału PZT28. Część ferroelektrycznego korpusu PMN2X wymaga pola elektrycznego spolaryzowanego prądem stałym, aby mogła zostać wykorzystana jako materiał emitujący dużą moc.