Ny utveckling av piezokeramik som används i undervattens ekolodsgivare(2)

För att förbättra detekteringsprestandan hos passiva ekolod har forskning utvecklat en vektorhydrofon som kan ta emot och utnyttja skalära parametrar (ljudtryck) och vektorparametrar (vibrationshastighet) i ljudfältet, med full användning av informationen i ljudfältet. Vektorhydrofoner och deras motsvarande signalbehandlingsteknologier är bland de nya teknologier som för närvarande utvecklas internationellt. tillämpningen av vektorhydrofoner i SURTASS-systemet löser problemet med vänster och höger sidas oskärpa. Det används vektorhydrofonens dragline array för att systematiskt studera attityden, draghastigheten och flödesbruset för vektorhydrofonen för att detektera vektorhydrofonen. Utvecklingen av vektorhydrofoner har i princip uppnått strukturell serialisering och funktionell användbarhet som kan möta olika tekniska krav. Ett antal enheter har påbörjat forskning inom detta område. Efter ett decennium av forskning och teknologiintroduktion har de också börjat gå mot det praktiska skedet av ingenjörskonst. När det gäller strukturell form kallas ljudtrycksgradienthydrofonen också en vibrationshastighetshydrofon, och kan delas in i en dubbelljudtryckshydrofon, en differentialtryckstyp och en homogeniserande sfärisk typ. Dubbelljudshydrofontypen är direkt sammansatt av två ljudtryckshydrofoner, och ljudtrycksgradienthydrofonen med fast skal har ett fast hölje, och den dubbla laminerade hydrofonen. piezoelektrisk hemisfär piezokeramik är fixerad på det yttre höljet och trycket är fixerat. Den elektriska plattan utsätts för böjvibrationer under inverkan av en ljudtrycksgradient i dess tjockleksriktning. De känsliga komponenterna är placerade i tre ortogonala riktningar och har samma fascentrum, vilket utgör en tredimensionell vektorhydrofon. Efter att ljudtryckshydrofonen och vektorhydrofonen är strukturellt integrerade är helheten sfärisk och flytkraften i havsvattnet är noll. Den sammansatta vektorhydrofonen med samma vibration (hädanefter hänvisad till som en vektorhydrofon) är konstruerad och utsignalerna från de två bearbetas. Samvibrationsvektorhydrofonen vidrör inte vattnet, och sensorn reagerar på sensorns totala pulsering, vilket kräver fri installation. Till exempel vektorhydrofon med ett arbetsfrekvensområde på 20Hz till 6000Hz och Mp =-180dB. Förutom samvibrationsvektorhydrofonen finns det även en differentialtryckstyp. Differentialtrycksvektorhydrofonen kommer i kontakt med mediumvattnet och reagerar inte på sensorns totala rörelse utan även på högfrekvensområdet. Riktningsförmågan hos vektorhydrofonen är cosinusformad. Enkelriktad strålskärpning och elektronisk rotation av strålen kan uppnås för att uppnå orientering. Vektorhydrofonens arbetsfrekvens kan variera från några hundra hertz till flera tiotals kilohertz. Efter signalbehandlingen kan ljudenergiflödet dämpa bruset med 10-20dB jämfört med ljudtrycksignalens energi. Enkelvektorhydrofonen har en orienteringsnoggrannhet på ±2° och kan vara upp till 1° efter specialbehandling.

Piezoelektrisk keramisk givare

Redan 1978 föreslås en piezokeramisk fas och ett polymerfasbundet strukturmaterial. Detta material har en särskilt hög hydrostatisk piezoelektrisk koefficient jämfört med piezoelektrisk keramik och är mycket större än PZT piezoelektrisk keramik, vilket gör det idealiskt för applikationer på djupt vatten. Dess karakteristiska impedans är liten, den är lätt att matcha med vatten, frekvensbandbredd och dess egenskaper kan även justeras genom att ändra andelen piezokeramik. Hittills har dussintals piezoelektriska kompositmaterial utvecklats. Bland dem anses 222, 123 och 023, 321 tvåfaskompositmaterial generellt vara den mest lovande framtida ekolodsomvandlingen. 023-kompositmaterialet, som är tillverkat av keramiskt pulvermaterial och gummi, kallas piezoelektriskt gummi. Den har mjukheten och flexibiliteten hos gummi, vilket är 20 gånger så mycket som vanlig piezoelektrisk keramik, vilket motsvarar PVDF. Dessa fördelar gör den lämplig för ythydrofoner. Piezoelektriskt gummi är lätt att göra några millimeter tjockt, vilket är dess fördel gentemot PVDF. Forskning om nanostrukturerade piezoelektriska kompositmaterial har också utförts. Det är en process där piezoelektrisk keramik bearbetas och sedan infunderas i piezoelektriska kompositmaterial. En annan metod är att bearbeta piezoelektrisk keramik till pulver. Det sintras sedan och formas med andra material. Detta ämnesområde studeras för närvarande. Materials Systems har framgångsrikt utvecklat en storskalig komposithydrofonmodul med en standardstorlek på 250 × 250 mm. Den har också utvecklat en modell 123 piezoelektrisk sammansatt givaruppsättning för användning i nya lätta elektriska torpeduppsamlingar och sångbaser. Den har också utvecklat en 123-kopplad piezokeramisk kolumn och epoxikomposit-yteelement-hydrofonmodul, storleken är 100 × 180 mm, och utgör en 18-elements bred yta med en 9m-matrislinje med en 9m-matris. 200mm vid 60KHz. Följande bredbandskänslighet är högre än -190dB och fluktuationen är mindre än 2dB. Både teori och experiment bevisar att kompositmaterialet kan öka emissionsresponsen och mottagningskänsligheten med 3dB~5dB på grund av polymermaterialets överladdningseffekt. Efter att ha lagt till det hårda omslaget är effekten mer uppenbar och kan förbättras med 10dB.

För att förbättra interferensförmågan för turbulensbrus hos ekolodsmotståndsytan på fartygssidan, används en hydrofon med stor area i ekolodet på fartygssidan i enlighet med egenskaperna hos den brusrelaterade radien. PVDF piezoelektrisk film är ett idealiskt piezoelektriskt material för tillverkning av stora hydrofoner. Den är lätt i konsistensen, flexibel och lätt att göra en krökt form. En storarea hydrofon har producerats med en PVDF-film med en area på 200 × 300 × 0,2 mm, och känsligheten är cirka -200 dB i frekvensområdet flera hundra hertz till 4 kHz. Förutom PVDF piezoelektriska filmer utvecklades på 1990-talet ett nytt piezoelektriskt filmmaterial PVDF-TrFE (VF2). som är en ferroelektrisk polymersampolymer bildad av polyvinylidenfluorid (PVDF) och polytrifluoreten (TrFE), och är elektroniskt strålningsmodifiering. Detta nya material har potential att lösa temperatur- och tryckstabilitetsproblemen för PVDF piezoelektriska filmer och problem med lateralt läge, och känsligheten är också något förbättrad.

Från 1997 till 2000 utvecklade Institute of Ceramics och Xi'an Jiaotong University successivt ett slags avslappnad järnspänning elektriskt enkristallmaterial, kallat PMN2PT och PZN2PT. Detta material har en större förbättring i energilagringstäthet, elektromekanisk kopplingskoefficient, dielektricitetskonstant och liknande än vanlig piezoelektrisk keramik, och har kvarvarande polarisation och kräver ingen DC-förspänning. Prestandaparametrarna för PMN2PT anges. Det har bedömts som ett sällsynt och spännande genombrott under decenniet sedan tillkomsten av piezoelektrisk keramik på 1950-talet av tidningar som SCIENCE och NATURE. Det finns dock fortfarande brister som låg mekanisk draghållfasthet och olika komplexiteter med temperatur, frekvens och elektriskt fält, och kostnaden är för hög. Den är gjord av en typ IV böjd lågfrekvent högeffektsgivare, som är 5 dB högre än givaren med samma struktur gjord av PZT28-material. En del av den ferroelektriska kroppen hos PMN2X behöver ett DC-polariserat elektriskt fält för att kunna användas som ett högeffektemitterande material.