Back to search

NAERINGSPH-Nærings-phd

Nye aktive materialer i undervannstransdusere

Alternative title: New materials in underwater transducers

Awarded: NOK 1.7 mill.

Project Manager:

Project Number:

290462

Project Period:

2018 - 2022

Funding received from:

Kongsberg Maritime Subsea provides the full picture under water, by making acoustic transducer systems for seabed mapping, fishery, oil operations and positioning. The level of detail in the pictures is dependent on the performance of the transducer that generates the sound. Today (2022), transducers from Kongsberg are mainly designed using the piezoelectric ceramic material PZT as the active part. A piezoelectric material will expand and contract in response to an alternating electric potential. This motion will generate sound waves. Likewise, sound waves will generate motion in the piezoelectric material, which in turn will generate an electric potential that can be measured. The material parameters of the piezoelectric material limit the frequency bandwidth in which sound waves can be generated, and also the level of the sound. Recently, new types of active materials have been developed for use in transducers. Especially, single crystals have become popular for medical ultrasound transducers. The new materials provide an opportunity for much wider bandwidth, reduced transducer size, and better compatibility with new, compact electronics. High cost is probably the main reason why single crystals are not yet widely used in underwater transducers. An alternative to single crystals called textured ceramics is now being developed. Textured ceramics are expected to possess many of the qualities of single crystals, while having a lower cost per volume. We explored how new active materials may enhance performance in realizable transducer designs. A composite consisting of single crystal and epoxy was designed and fabricated. The measured coupling between electrical and mechanical energy was considerable higher for this composite than for a comparable ceramic PZT composite. The layers that provide acoustic matching between the composite and water were optimized, and the final measurements showed that the transducer can be operated in a wide frequency band. We also designed and fabricated a special type of piezocomposite, for which the electric field was applied normal to the direction of main displacement. Single crystals provide high coupling also in this mode, and the latter design provide a high sound level for a small voltage source. This is particularly beneficial for transducers mounted on small platforms.

• Høyning av bedriftens kompetanse om piezoelektriske materialer og materialparametrenes betydning for transduserens ytelse. Dette kommer til stor nytte også i utviklingen av PZT-baserte transdusere. Prosjektet har stimulert til mange faglige diskusjoner, og til tettere kontakt mellom bedriften og universitetet. • Opparbeidet kunnskap om enkrystallinske materialer i bedriften og økt kompetanse om disse materialene på universitetet. • Opparbeidet erfaring med fabrikasjon av transdusere med enkrystallinske materialer i bedriften. Prosjektet har resultert i et nettverk av leverandører og andre fagpersoner og har gitt verdifull erfaring med materialet, for eksempel endringer med temperatur og robusthet ved håndtering. • Prosjektet har bidratt til forskningsfeltet ved å demonstrere mulighetene for å oppnå høy effektfaktor i et bredt frekvensbånd også for kompositt-transducere med akustiske matchelag, og ved å vise et design der akustisk effekt for gitt spenning kan økes betydelig ved å utnytte at enkrystallinske materialer har høy elektromekanisk kopling også for transversal polarisering. • Prosjektet vil forhåpentligvis føre til at flere tilbydere av undervanns-transdusere tar i bruk enkrystallinske materialer og designer undervanns-transdusere som kan brukes i et større frekvensbånd og som er mer kompakte. Det vil da bli mulig å hente inn mer informasjon fra små plattformer. Slike plattformer kan i langt større grad enn store, bemannede forskningsskip ha langvarig nærvær i havets økosystemer eller kartlegge store områder over lang tid. De kan også komme tettere på livet i havet og på små detaljer på havbunnen. Mer informasjon kan bidra til mer bærekraftige løsninger i havnæringene og økt forståelse for hvordan miljøforandringer påvirker livet i havet.

Kongsberg Maritime Subsea tilbyr produkter som gir et fullstendig bilde av situasjonen under vann. Produktene dekker behov innen hydrografi, fiskeri, oljeoperasjoner og posisjonering. Hvor detaljerte bildene fra akustiske produkter blir, avhenger i stor grad av ytelsen til transduseren som genererer lydbølgene. Kongsberg produserer i dag hovedsaklig transdusere der det piezoelektriske materialet PZT er den aktive, drivende delen. PZT er et polykrystallinsk materiale. De siste årene har vi sett en utvikling av nye typer aktive materialer, spesielt har enkrystallinske materialer (single crystals) blitt populære i transdusere for medisinske anvendelser. Single crystals har mange attraktive egenskaper for bruk i transdusere. Materialene kan ha svært høy elektroakustisk koplingskonstant, 90%, og dette kan i optimaliserte design gi fordoblet båndbredde i forhold til en god PZT-transduser. Single crystals har også egenskaper som kan gi redusert transduserstørrelse og enklere tilpasning til nye kompakte elektronikkløsninger. Høy volumpris er antakelig den viktigste årsaken til at single crystals til nå er tatt lite i bruk i transdusere for undervannsapplikasjoner. Det forskes nå på et alternativ til single crystals kalt textured ceramics. Textured ceramics er forventet å få mange av de fordelaktige egenskapene til single crystals, men til en mindre produksjonskostnad. Det finnes også andre aktive materialer som er interessante alternativer til PZT. Et eksempel er den piezoelektriske polymeren PVDF. Et annet eksempel er blyfri keramikk, som er å foretrekke av miljøhensyn, men som fortsatt er på forskningsstadiet. Dette prosjektet skal undersøke hvilke og hvor store forbedringer Kongsberg kan oppnå med nye aktive materialer i realiserbare transduserdesign. Målet er å finne ut hvordan ulike typer undervannstransdusere kan designes for å nyttegjøre seg fordelene med nye aktive materialer, og hvilke ulemper som finnes.

Funding scheme:

NAERINGSPH-Nærings-phd