Нові розробки п'єзокераміки, що використовується в підводних сонарних перетворювачах (2)

Щоб покращити ефективність виявлення пасивного сонара, дослідники розробили векторний гідрофон, який може отримувати та використовувати скалярні параметри (звуковий тиск) і векторні параметри (швидкість вібрації) у звуковому полі, повністю використовуючи інформацію у звуковому полі. Векторні гідрофони та відповідні технології обробки сигналів належать до нових технологій, які зараз розробляються на міжнародному рівні. Застосування векторних гідрофонів у системі SURTASS вирішує проблему розмиття лівого та правого боків. Для систематичного вивчення положення, швидкості опору та шуму потоку векторного гідрофону для виявлення векторного гідрофону використовується масив векторних гідрофонів. Розробка векторних гідрофонів в основному досягла структурної серіалізації та функціональної корисності, яка може відповідати різним інженерним вимогам. Ряд підрозділів розпочав дослідження в цій галузі. Після десятиліття досліджень і впровадження технологій вони також почали рухатися до практичного етапу розробки. З точки зору структурної форми, гідрофон з градієнтом звукового тиску також називають гідрофоном швидкості вібрації, і його можна розділити на гідрофон з подвійним звуковим тиском, тип перепаду тиску та гомогенізуючий сферичний тип. Тип гідрофону з подвійним звуком безпосередньо складається з двох гідрофонів звукового тиску, а гідрофон із градієнтом звукового тиску з фіксованою оболонкою має фіксований корпус і подвійний ламінований п'єзоелектрична напівсфера п'єзокераміка закріплена на зовнішньому корпусі, і тиск фіксується. Електрична пластина піддається згинальній вібрації під дією градієнта звукового тиску в напрямку її товщини. Чутливі компоненти розташовані в трьох ортогональних напрямках і мають однаковий фазовий центр, який утворює тривимірний векторний гідрофон. Після того, як гідрофон звукового тиску та векторний гідрофон структурно інтегровані, ціле стає сферичним, а плавучість у морській воді дорівнює нулю. Будується композитний векторний гідрофон із однаковою вібрацією (надалі векторний гідрофон), а вихідні сигнали обох обробляються. Ковібраційний векторний гідрофон не торкається води, а датчик реагує на загальну пульсацію датчика, що вимагає вільної установки. Наприклад, векторний гідрофон з діапазоном робочих частот від 20 Гц до 6000 Гц і Mp = -180 дБ. Крім ковібраційного векторного гідрофона, існує також тип перепаду тиску. Гідрофон вектора диференціального тиску контактує з середньою водою і реагує не на загальне переміщення датчика, а й на високочастотний діапазон. Спрямованість векторного гідрофона має косинусну форму. Для досягнення орієнтації можна досягти односпрямованого загострення променя та електронного обертання променя. Робоча частота векторного гідрофона може коливатися від кількох сотень герц до кількох десятків кілогерц. Після обробки сигналу потік звукової енергії може пригнічувати шум на 10-20 дБ порівняно з енергією сигналу звукового тиску. Одновекторний гідрофон має точність орієнтації ±2° і може бути до 1° після спеціальної обробки.

П'єзоелектричний керамічний перетворювач

Ще в 1978 році було запропоновано п'єзокерамічну фазу та полімерну фазу зв'язаного конструкційного матеріалу. Цей матеріал має особливо високий гідростатичний п’єзоелектричний коефіцієнт порівняно з п’єзоелектричною керамікою та набагато більший, ніж PZT п’єзоелектрична кераміка, що робить його ідеальним для глибоководних застосувань. Його характерний опір невеликий, його легко узгодити з водою, смугою частот, а його характеристики також можна регулювати, змінюючи частку п'єзокераміки. На сьогодні розроблено десятки композитних п’єзоелектричних матеріалів. Серед них 222, 123 і 023, 321 двофазні композитні матеріали, як правило, вважаються найбільш перспективним майбутнім перетворенням сонара. Композитний матеріал 023, який виготовлений з керамічного порошкового матеріалу та гуми, називається п’єзоелектричною гумою. Він має м’якість і гнучкість гуми, що в 20 разів перевищує м’якість і гнучкість звичайної п’єзоелектричної кераміки, що еквівалентно PVDF. Ці переваги роблять його придатним для наземних гідрофонів. П'єзоелектричну гуму легко зробити товщиною в кілька міліметрів, що є її перевагою перед PVDF. Також проводились дослідження наноструктурованих композитних п’єзоелектричних матеріалів. Це процес, у якому п’єзоелектрична кераміка обробляється, а потім вливається в композитні п’єзоелектричні матеріали. Інший метод полягає в переробці п'єзокераміки в порошки. Потім він спікається та формується з іншими матеріалами. Ця предметна область на даний момент досліджується. Materials Systems успішно розробила великомасштабний композитний гідрофонний модуль зі стандартним розміром 250 × 250 мм. Також була розроблена модель 123 п’єзоелектричний композитний масив перетворювачів для використання в новій колекції легких електричних торпед і вокальних базах. Він також розробив 123-з’єднану п’єзокерамічну колонку та епоксидний композитний поверхневий елемент гідрофонного модуля, розмір якого становить 100 × 180 мм, і являє собою 18-елементну лінійну решітку з широкою поверхнею з довжиною матриці 1,9 м і шириною 200 мм при 60 кГц. Наступна широкосмугова чутливість вище -190 дБ, а коливання менше 2 дБ. І теорія, і експеримент доводять, що композитний матеріал може збільшити відповідь на випромінювання та чутливість прийому на 3 дБ ~ 5 дБ завдяки ефекту наддуву полімерного матеріалу. Після додавання твердої обкладинки ефект стає більш очевидним і може бути покращений на 10 дБ.

Щоб покращити здатність протикорабельної поверхні корабельної бортової решітки гідроакустичних решіток створювати шумові перешкоди турбулентності, у гідролокаторі бортової бортової решітки використовується гідрофон великої площі відповідно до характеристик радіуса, пов’язаного з шумом. П'єзоелектрична плівка PVDF є ідеальним п'єзоелектричним матеріалом для виготовлення гідрофонів великої площі. Він легкий за текстурою, гнучкий і легко надає вигнуту форму. Був виготовлений гідрофон великої площі з плівкою PVDF площею 200 × 300 × 0,2 мм і чутливістю близько -200 дБ у діапазоні частот від кількох сотень герц до 4 кГц. На додаток до п’єзоелектричних плівок PVDF, у 1990-х роках був розроблений новий п’єзоелектричний плівковий матеріал PVDF-TrFE (VF2). який є сегнетоелектричним полімерним сополімером, утвореним з полівініліденфториду (PVDF) і політрифторетилену (TrFE), і є електронною радіаційною модифікацією. Цей новий матеріал має потенціал для вирішення проблем стабільності температури та тиску п’єзоелектричних плівок PVDF і проблем з бічним режимом, а також трохи покращено чутливість.

З 1997 по 2000 рік Інститут кераміки та Університет Сіань Цзяотун послідовно розробляли своєрідний монокристалічний матеріал із електричною напругою заліза, який називається PMN2PT і PZN2PT. Цей матеріал має більші покращення в щільності накопичення енергії, електромеханічному коефіцієнті зв’язку, діелектричній проникності тощо, ніж у звичайної п’єзоелектричної кераміки, і має залишкову поляризацію, і не потребує зміщення постійного струму. Наведено параметри роботи ПМН2ПТ. Такі журнали, як SCIENCE і NATURE, оцінили це як рідкісний і захоплюючий прорив за десятиліття після появи п’єзоелектричної кераміки в 1950-х роках. Однак все ще є недоліки, такі як низька механічна міцність на розрив і різноманітні складності з температурою, частотою та електричним полем, а вартість занадто висока. Він виготовлений зігнутим низькочастотним перетворювачем високої потужності типу IV, який на 5 дБ вище, ніж перетворювач з такою ж структурою, виготовлений з матеріалу PZT28. Частина сегнетоелектричного тіла PMN2X потребує електричного поля, поляризованого постійним струмом, щоб використовувати його як потужний випромінюючий матеріал.