Nye aktive materialer i undervannstransdusere

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 (2022) hovedsaklig transdusere der det piezoelektriske keramiske materialet PZT er den aktive, drivende delen. Et piezoelektrisk materiale fungerer slik at materialet utvider seg og trekker seg sammen når det blir påsatt en vekselspenning. En slik bevegelse gir lydbølger i vannet. Motsatt vil lydbølger i vannet gi bevegelse i det piezoelektriske materialet og dette genererer en elektrisk spenning som vi kan måle. Materialparameterene til det piezoelektriske materialet begrenser bredden på frekvensområdet vi kan sende lyd i, og også hvor høy lyd vi kan sende. 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. Disse materialene gir muligheter for stor økning i båndbredde, redusert transduserstørrelse og enklere tilpasning til nye kompakte elektronikkløsninger. Høy volumpris er antakelig den viktigste årsaken til at enkrystallinske materialer hittil er tatt lite i bruk i transdusere for undervannsapplikasjoner. Det forskes nå på et alternativ til enkrystallinske materialer. Alternativet kalles teksturert keramikk og er forventet å gi mange av de fordelaktige egenskapene til enkrystallinske materialer, men til en lavere produksjonskostnad. Vi har undersøkt hvilke og hvor store forbedringer Kongsberg kan oppnå med nye aktive materialer i realiserbare transduserdesign. Vi har designet og produsert en kompositt bestående av enkrystallinsk materiale og epoxy, og vi har målt at denne kompositten har høyere kopling mellom elektrisk og mekanisk energi enn en tilsvarende kompositt laget av keramisk PZT og epoxy. Vi har også optimalisert de såkalte matchelagene som sørger for at kompositen er akustisk tilpasset til vannet. Den ferdige transduseren er målt i vann, og vi har vist at den kan brukes i et stort frekvensområde. Vi har også designet og produsert en spesiell komposittvariant der det elektriske feltet settes normalt på utsvingsretningen. Det enkrystallinske materialet har høy elektromekanisk kopling også i denne modusen, og designet gir oss muligheten til å tilby et stort lydtrykk fra en liten spenningskilde. Dette er spesielt gunstig for transdusere som skal monteres på små plattformer.

• 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.