NO315770B1 - Piezoelektrisk hydrofon med regulerbar polarisasjon - Google Patents

Description

Denne oppfinnelse gjelder det tekniske område som omfatter såkalt piezoelektrisitet, og særlig gjelder oppfinnelsen en piezoelektrisk hydrofon med variabel og regulerbar polarisasjon. En slik hydrofon er som kjent et piezoelektrisk følsomt element, og elementer av denne type kan f.eks. brukes i elektromekaniske transduktorer under vann, bl.a. for bruk i lydformidlende undervannsantenner, for sonarteknikk eller for akselerometre, hydrostatiske trykkfølere, sensorer for deformasjon, kraft eller temperatur, eller komplekse systemer som kan ivareta flere av disse funksjoner. Elementene kan likeledes brukes i luft, i mikrofoner, akselerometre, fjernskrivertastaturer eller tastaturer for datamaskiner, for varmedetektorer eller "piezokromiske" kledninger, dekklag og foringer.

I denne tekst forstås med et piezofølsomt materiale materialet i et element som er følsomt overfor trykk ved at det som følge av trykkpåkjenningene fremviser piezoelektriske og/eller piezoresistive og/eller piezopolare egenskaper. Videre vil et piezofølsomt element generelt være en innretning som kan anta brikkeform og som er bygget opp av eller omfatter et slikt materiale.

Videre vil uttrykket partikkel/partikler brukes som generelt uttrykk for både pulverformet materiale, fibre og objektfragmenter hvor materialet inngår.

Man kjenner en rekke piezoelektriske materialer, bl.a. komposittmaterialer, og materialene er i utstrakt anvendelse i industrien.

Således beskriver patentskriftet US 2 420 864 en fabrikasjonsfremstilling av et piezoelektrisk materiale ut fra en matrise av plastmateriale og et piezoelektrisk enkrystall.

Plastmaterialene som anvendes er gjerne celluloider, acetater av cellulose, klorert kautsjuk, fenolformaldehyder, fenolfurfurolharpikser, akrylater, metakrylater og polystyrener, mens enkrystallene er valgt blant materialene seignettesalt, turmalin, sakkarose og vinsyre. Materialene er sammensatt for å kunne brukes utelukkende i hydrostatisk fase, dvs. at hele overflaten skal utsettes for innfallende akustisk trykk. Imidlertid har enkrystaller relativt dårlige hydrostatiske egenskaper (liten hydrostatisk konstant) og er derved lite effektive.

Monokrystallene erstattes derfor i dag gradvis av perovskykeramikktyper, særlig blytitanzirkonat (PZT) eller bariumtitanat for å kunne tilveiebringe kraftig emisjonstrykk. På mottakersiden er imidlertid den hydrostatiske konstant mindre enn enkrystallenes så som litiumsulfat. Anvendelsen er også begrenset til de bestemte (priviligerte) trykkmodi som er karakteristiske for enkrystalltyper av kategori 33, 31 eller 32.

I US (7)4 233 485 beskrives et piezoelektrisk materiale av komposittypen og som består av polymer og keramikkpulver. Pulveret er på sin side en fritteblanding av blytitanat, jern- og vismutdioksid og med midlere pulverkornstørrelse på 5 fim og med et totalt dioksidinnhold mellom 50 og 80 % (vektdeler). I US 4 407 054 beskrives også et komposittmateriale med piezoelektriske egenskaper, denne gang bestående av et polymer, gjerne en blanding av risinolje og isocyanat av risinoleat, og et piezoelektrisk materiale slik som kvarts, PZT, turmalin, vinsyre eller litiumsulfat.

I US 4 868 856 beskrives et piezoelektrisk komposittmateriale som består av et polymer utviklet på basis av polyuretan og et piezoelektrisk materiale så som vinsyre, et monosakkarid, disakkarid eller et karboksyla!

Videre er produktet som går under benevnelsen "elektreter" kjent på markedet, og slike materialer fremstilles ved å la en voks bli flytende ved oppvarming, og når denne smeltede voks utsettes for et sterkt elektrisk felt under den etterfølgende avkjøling får man visse pyroelektriske egenskaper som samtidig er knyttet til en viss piezoelektrisitet av målbar størrelse og permanens.

Samtlige av disse materialer har imidlertid flere ulemper, bl.a. når de brukes i hydrofoner. Faktisk er deres polarisasjon eller mer generelt deres piezoelektriske egenskaper låst til fremstillingen, og derfor er bruksegenskapene begrensede eller spesialiserte (hydrostatisk fase, modus 33, 31, 15 etc.) Et eksempel er en kompositt som fremstilles ved blanding av vinsyrekorn eller litiumsulfatpartikler med en harpiks som ikke ennå er polymerisert, hvoretter kornene polariseres ved hjelp av en av de fremgangsmåter som er beskrevet i litteraturen eller patentskriftene nevnt ovenfor, idet denne kompositt ikke kan brukes annet enn i hydrostatisk fase, og dessuten er de piezoelektriske egenskaper uforanderlige eller varierer bare langsomt med tiden.

Endelig beskrives i US 4 705 003 såkalte "aktuatorer", dvs. aktive piezoelektriske innretninger som man påtrykker en spenning på for å oppnå en reaksjon fra det piezoelektriske materiale, hhv. en polarisasjonsspenning for å gjenopprette polarisasjons-egenskapene.

I de kjente hydrofoner påtrykkes ingen slik spenning, nemlig av følgende grunner:

- En hydrofon er en passiv detektor, og det piezoelektriske materiale i den underlegges ikke noen spenning, men tvert i mot genererer materialet en elektrisk spenning. Det er altså normalt ikke aktuelt å påtrykke noen spenning utenfra. - De kjente hydrofoner inneholder piezoelektrisk materiale med konstante piezoelektriske egenskaper og etablerte uavhengig av hydrofonens øvrige egenskaper. Tilstedeværelse av midler eller apparatur for å frembringe en polarisasjonsspenning er derfor normalt ikke relevant, siden en påtrykt ytre spenning ikke vil gi noen slik virkning, idet materialet har konstante piezoelektriske egenskaper. Dessuten ville et slikt apparat-tillegg eller liknende øke hydrofonens vekt, hvilket er en ulempe.

I en artikkel av E. Fukada: "Piezoelectricity of natural biomaterials", i tidsskriftet Proceedings of the first International Symposium of Piezoelectricity in Biomaterial and Biomedical Devices, Pisa, Italia, juni 1983, nemlig under seksjonen i dette tidsskrift: Ferroelectrics 1984, vol. 60 nr. 1-4, s. 285-296 beskrives særskilt piezoelektriske materialer i folieform, materialer som har konstante piezoelektriske egenskaper under og etter påtrykk av en ytre polarisasjonsspenning. Bruken av slike materialer i hydrofoner er også nevnt, men slike materialer trenger slett ikke noe påtrykk av en utvendig spenning for å virke, siden de allerede er polariserte ved fabrikasjonen og holder seg i denne egenskap selv om ingen spenning påtrykkes, idet disse materialer allerede er kjent for bruk i hydrofon-teknologien. Videre er materialenes følsomhet konstant og kan ikke variere, og de hydro-foniske egenskaper som antenner som konstrueres av slike hydrofoner har, vil heller ikke være verken styrbare eller regulerbare.

Et av målene med denne oppfinnelse er å komme frem til en hydrofon av et materiale hvis polarisasjon og dermed også de piezoelektriske egenskaper, mer generelt de piezofølsomme parametre, kan varieres bevisst ved påtrykk av et elektrisk felt. Polarisasjonen kan altså varieres under drift, f.eks. hos en antenne med hydrofoner og som har et bestemt plateformet antennefelt med et materiale ifølge oppfinnelsen, og ved å bruke et slikt polarisasjonsregulerbart materiale unngår man de ulemper som er nevnt ovenfor. Det er derved ikke nødvendig å utføre de tilsvarende korreksjoner på mottakersiden, hvilket heller ikke alltid er mulig og som i alle fall vil øke kostnaden av mottakerutrustningen.

Antennene kan videre risikere å påtrykkes sjenerende støy eller parasittsignaler som kan være permanente eller forbigående. Oppfinnelsen gir anledning til å eliminere eller redusere slik støy og forstyrrende signalpåtrykk ved direkte modifikasjon av de piezofølsomme egenskaper for de aktive elementer.

For dette kjennetegnes en hydrofon ifølge oppfinnelsen og som omfatter minst ett trykkfølsomt materiale, ved midler for å påtrykke en polarisjonsspenning U på dette eller disse materialer, hvor midlene videre er innrettet for regulering av denne polarisasjonsspenning, idet materialet eller materialene tilnærmet fremviser ikke målbar trykkføl-somhet når ingen polarisasjonsspenning er påtrykt. Spenningen U kan være en like- eller en vekselspenning. Et særlig trekk ved oppfinnelsen er at midlene omfatter en spenningskilde, en polarisasjonsforsterker og elektroder, og elektrodene kan være av kam-eller fingertypen. Det piezoelektriske materiale inneholder særlig partikler, gjerne i form av fibre, pulvermasse eller mindre biter (fragmenter) av et objekt eller av rent materiale med piezoelektriske egenskaper. Disse egenskaper kan være fremtredende, lite fremtredende eller mangle helt.

Ifølge et særlig trekk ved oppfinnelsen er partikkelstørrelsen mellom 5-IO"<9> m og 5-IO"<3> m, dvs. mellom 0,05 Å og 5 mm, og i et spesialtilfelle kan partiklene utgjøre en homogen masse hvor alle partikler har omtrent samme størrelse.

I et særskilt tilfelle dannes partiklene helt eller delvis ut fra biologisk materiale eller materialer i form av plater eller folie av piezoelektrisk plast som er forhåndspolarisert i materialtykkelsens retning, som ikke er forpolarisert, eller partiklene er fremstilt av mikrokrystaller.

Ifølge et foretrukket karakteristisk trekk ved oppfinnelsen er det piezoelektriske element slik at det biologiske materiale er valgt blant følgende stoffer: oligosakkarider, homopolysakkarider, heteropolysakkarider, glykosaminoglysaner, proteoglysaner, terpener, steroider, aminosyrer, oligopeptider og polypeptider, proteiner, nukleotider, nukleonsyrer, karbamider eller natursilke.

Ifølge et annet karakteristisk trekk ved oppfinnelsen er det piezoelektriske element dannet ved at partiklene helt eller delvis dannes av mikrokrystaller eller fibre av ammoniumtartrat, kaliumtartrat, diaminetylentartrat, dikaliumtartrat, natriumklorat, natriumbromat, heksahydrat av nikkelsulfat, jodsyre, benzofenon, av hydrert eller dehydrert gallussurt litiumsalt, av polyvinyldifluorid, polyvinylklorid, kopolymert vinylacetat og vinylidencyanid, vinyliden og trifluoretylen, polyvinylfluor, nylon, polyakrylonitril, polyparaksylylen, polybiklormetyloksetan, aromatiske polyamider, polysulfoner, cyanetylcellulose, monosakkarider, disakkarider, brushitt, monetitt eller karboksylsyresalter.

Ifølge en variant for å utføre oppfinnelsens fremgangsmåte består det piezofølsomme materiale av et partikkelagglomerat.

Ifølge et ytterligere karakteristisk trekk er oppfinnelsens piezoelektriske element slik at de inngående partikler i dette agglomerat helt eller delvis fremstilles ut fra et materiale som er svakt eller ikke piezoelektrisk, så som polystyren, polysulfon, polykarbonat, polypropylen, polyetylen, tereftalat av polyetylen, polyfenylenoksider, polyakrylatester, polymetakrylatester, polyvinylklorid, polyvinyliden, akrylonitirlpolymer, metakrylonitrilpolymer, polyvinylacetat, celluloid, celluloseacetat, polyvinylpyrrolidon, cellulosepolymer, fenolformaldehyd, fenolfurfuralharpiks, polymer løsbart i polyimid, epoksyharpiks, polymeriserbar harpiks, naturgummi, syntetisk kautsjuk, silikonharpiks, kollagen av ben og karbinol, polystyrol, lakkgummi, vinyliden- og trifluoretylenkopolymer, og polyuretan-eller polyvinylkarbazonelastomer.

I en annen utførelsesvariant består det piezoelektriske materiale av en matrise av polymer eller et dielektrisk organisk produkt som er svakt eller ikke piezoelektrisk, og piezoelektriske artikler.

Ifølge en foretrukket utførelse velges polymermatrisen eller det dielektriske organiske produkt som kan være svakt piezoelektrisk eller ikke piezoelektrisk blant følgende materialer: polystyrener, polysulfoner, polykarbonater, polypropylener, polyetylener, tereftalater av polyetylen, oksider av polyfenylen, elastomerer av polyuretan, polyvinylkarbazoler og fluorklorider av polyvinyliden, polyakrylatestere eller estere av polymetakrylat, polyvinylklorider, polyvinylidenklorider, polymerer av akrylonitril eller metakrylnitril, acetater av polyvinyl, celluloider, celluloseacetater, polyvinylpyrrolidoner, cellulosepolymerer, fenolformaldehyder, fenolfiirfuralharpikser, polymerer som er løsbare i polyimid, epoksyharpikser, polymeriserbare harpikser, naturgummi, syntetisk kautsjuk, silikonharpikser, kollagener av ben og karbinol, polystyroler, lakkgummi eller kopolymerer av vinyliden og trifluoretylen.

En annen uheldig ting ved de materialer som er beskrevet i patentskriftene nevnt ovenfor og hvor det er beskrevet et innhold av piezoelektriske partikler, ligger i det faktum at de siste har dimensjoner som overstiger en mikrometer (IO6 m), idet størrelses-spredningen går fra noen fim og opp til flere titalls fim. Det er imidlertid slik at en av betingelsene som tillater å oppnå en god komposittblanding ligger i regularitet i form og størrelse av de enkelte partikler i blandingen, hvilket er beskrevet bl.a. i US 4 407 054.

En måte å oppnå regulær form og størrelsesfordeling består i å gå ut fra et utgangsmateriale som kan være polarisert eller ikke og dele dette opp i makropartikler med størrelse over 1 mm, idet størrelsen her betyr den største dimensjon av partikkelen. Man kan f.eks. dele opp det piezoelektriske og prepolariserte plastmateriale i form av folie eller plate med en kuttemaskin slik at oppdelingen skjer i tykkelsesretningen, eller materialet kan være upolarisert så som polyvinyldifluorid eller PVF2, polyvinylklorid, kopolymerer av vinylacetat og vinylidencyanid, vinyliden og trifluoretylen, polyvinylfluorid, Nylon, polyakrylnitril, polyparaksylilen, polybiklormetyloksetan, aromatiske polyamider, polysulfoner eller syntetiske polypeptider av alkyglutamat og arylglukamat, eller man kan dele opp materialet hvis det er i trådform (f.eks. av kopolymerer) og har radial polarisasjon. Denne fremgangsmåte behøver ikke nødvendigvis føre til reduserte kostnader, men den kan utføres innenfor oppfinnelsens ramme.

En andre metode består i å anvende biologisk materiale med piezoelektriske egenskaper, og slikt materiale kan eventuelt deles opp i en difTerensialultrasentrifuge, idet denne teknikk faktisk tillater at man kan få partikkelstørrelser i størrelsesorden 510'<9>m. Biologisk materiale som er interessant mht piezoelektrisitet kan være oligosakkarider (vegetabil raffinose og stakyose f.eks.), homopolysakkarider (f.eks. cellulose, titin, titosan), heteropolysakkarider (f.eks. glukomannaner og galaktomannaner), glykosaminoglysaner (også benevnt glykosaminoglykurono-glysaner eller mykopolysakkaridsyrer), proteoglysaner, terpener (f.eks. monohydratet av terpen), steroider (f.eks. kolesterol og steroler), aminosyrer, oligo- og polypeptider (så som polypeptider av alkylglutamat eller arylgluta-mat, polygamma-metyl-L-glutamat, polygammabensylglutamat, kopolymerer av beta-hydroksybutyrat og betahydroksyvalerat, polybetahydroksybutyral), proteiner (keratiner, alfa og beta, tropokollagener og kollagener av type I, II, III, IV og V, myoglobiner og hemoglobiner f.eks.), nukleotider, nukleonsyrer (desoksyribonukleidsyre eller ribo-nukleidsyre), karbamid eller urinsyre, eller natursilkearter.

En tredje måte kan brukes når man ved syntese bygger opp enkrystaller av opprinnelige mineraler slik som brushitt eller seignettesalt. Det går ut på å fremskynde krystalliseirngsprosessen ved å bevege løsningen, enten ved mekanisk vibrasjon eller ved hjelp av ultralyd. Man får på denne måte dannelse av krystallider med langt mindre størrelse enn de partikler som generelt oppnås med ordinære fremgangsmåter.

Samtlige komposittmaterialer med piezoelektrisk natur i større eller mindre grad eller mangel på slik egenskap, enten de er kjemiske eller biologiske kan bl.a. etter sammenpressing danne et agglomerat og da brukes som piezoelektrisk materiale med variabel polarisasjon eller som et piezoresistivt materiale, eventuelt som piezopolært materiale innenfor rammen om denne oppfinnelse.

Det er likeledes klart at man innenfor oppfinnelsen kan tilveiebringe piezofølsomt materiale som består av blandingen av forskjellige partikler, f.eks. partikler av brushitt tilordnet partikler av kollagen og silikonharpiks. Slike blandinger kan brukes uten at man behøver påtrykke noe statisk trykk eller etter anvendelse av et statisk trykk som er tilsvarende stort til å få en kompakt masse. Videre kan man samtidig bruke partikler som hører til den første kategori (størrelse mellom 1 mm og 5 mm) og den andre kategori (størrelse mindre enn noen hundretalls mikrometer); men i de fleste tilfeller er det foretrukket å bruke partikler som har forskjellig karakter, men likevel hører til én og samme kategori.

Man kan altså skaffe til veie et bi- eller polymodusmateriale med varierbar polarisasjon, dvs. et materiale som, i avhengighet av sine eventuelle bestanddelers egenskaper f.eks. kan brukes dels i modus 33, dels i hydrostatisk tilstand, og denne funksjonsmodus eller -tilstand vil være avhengig av måten de mekaniske påkjenninger påtrykkes på og opptas i materialet, og retningen av det eventuelle elektriske felt som omslutter materialet.

Ved å bruke minst to innretninger eller piezoelektriske elementer ifølge oppfinnelsen kan man konstruere en føler hvis piezoelektriske materialer med variabel polarisasjon kan arbeide i forskjellig modus (hydrostatisk, trykkmessig, skjærvirkningsmes-sig, torsjonsmessig) med polarisasjonsfelt kontinuerlig eller alternativt påtrykt for å bringe for dagen materialets følsomhet og tilsvarende når det gjelder polarisasjonsspenningen, nemlig kontinuerlig eller alternativt, og et kombinert påtrykk kan dels følge samme retning, dels forskjellig retning, i avhengighet av hvilken funksjonsmodus man betrakter for materialet.

Andre fordeler og karakteristiske trekk ved denne oppfinnelse vil fremgå av den beskrivelse av forskjellige utførelsesvarianter som nå følger, særlig av hydrofoner, og det vises i den anledning til de tilhørende tegninger hvor fig. la - lf viser hvordan de forskjellige bestanddeler eller elementer anordnes innenfor oppfinnelsens ramme, nemlig forskjellige piezofølsomme materialer anordnet inne i en hydrofonboks, fig. 2a - 2d viser forenklete blokkskjemaer for påtrykk og registrering av polarisasjonsspenningen U på et piezoelektrisk materiale slik det er lagt ut som på fig. lf, fig. 3 viser skjematisk et snitt gjennom en form som tjener til fabrikasjon av et piezoelektrisk materiale i form av et element ifølge oppfinnelsen, fig. 4 viser forenklet hvordan man kan tilkople elektroder, fig. 5 viser et forenklet koplingsskjema for hvordan elektrodene tilkoples, fig. 6 viser et diagram med to kurver for utviklingen av følsomheten av en hydrofon som funksjon av en påtrykt spennings frekvens F og med polarisasjonsspenningen som kurveparameter, fig. 7 viser et blokkskjema for en alternativ utførelse ifølge oppfinnelsen, fig. 8 viser et verktøy for å fremstille et piezofølsomt materiale, og fig. 9 viser et diagram over en hydrofons følsomhet som funksjon av frekvensen av et påtrykt elektrisk felt ved en polarisasjonsspenning på U = 500 V.

Fig. la viser således skjematisk en hydrofon hvis følsomme element er en ferroelektrisk plate 1 som har kraftig polarisasjon i tykkelsens retning, dvs. i en retning normalt på sideflatene. Hvis materialet er keramisk og er polarisert i denne retning, og hvis det akustiske signalpåtrykk ikke strekker seg utover keramikkmaterialets plane flater kalles det modus 33. For å sikre at man har slik arbeidsmåte må man påkjenne platen ved snittet av keramikk et trykk p ved hjelp av en kontinuerlig luftstråle, hvilket medfører at man må bruke en boks 2 som er tilstrekkelig motstandsdyktig når hydrofonen skal senkes ned til store dyp (kanskje hundretalls meter). Hydrofonmassen vil derved bli langt større enn selve følerens masse, hvilket er illustrert på fig. lb hvor en tilsvarende føler ikke har denne begrensning og arbeider i hydrostatisk modus eller tilstand.

Imidlertid er den såkalte driftsfaktoren for de kjente piezoelektriske materialer som arbeider innenfor hydrostatisk fase mindre enn den tilsvarende driftsfaktor for materialet som arbeider i trykk- eller skjærfase, og for å unngå denne ulempe kan man bygge opp en hydrofon med to forskjellige piezoelektriske materialer eller flere, idet de arbeider innenfor forskjellig modus. F.eks. kan ett materiale 3 arbeide innenfor modus 33, mens et annet materiale 4 kan arbeide i hydrostatisk fase slik det er indikert på fig. 1c.

Denne type montasje tillater at man bedre kan motstå det hydrostatiske trykk, og man kan derfor bruke en relativt lett hydrofonomslutning eller -boks. Videre kan man påtrykke et elektrisk felt med distinkt polarisasjon på de enkelte piezoelektriske elementer ved å variere den elektriske spenning, og elektriske felt kan faktisk også påtrykkes i forskjellig retning, slik at man oppnår forskjellig følsomhet for de enkelte elementer inne i hydrofonen. På denne måte kan man f.eks. kompensere for parasittakselerasjoner eller sideordnede bevegelser, eller man kan tillegge hydrofonen en intrisikk direktivitet slik det er vist på fig. Id. På denne siste figur er ett og samme materiale 5, et komposittmateriale, brukt ved to driftsmodi.

Man kan åpenbart realisere, ved å bruke analoge fremgangsmåter, hydrofoner som kombinerer modi av typen hydrostatisk, trykk, skjærbevegelse eller torsjon, ved å anvende piezoelektriske materialer som arbeider innenfor innbyrdes forskjellige modi.

Fig. le viser på denne måte en hydrofon som er bygget opp av rør 6 av piezofølsomt materiale og polarisert radialt ved hjelp av en kontinuerlig eller alternerende spenning, og materialet arbeider i skjærmodus som kalles modus 15. Videre inneholder hydrofonen plater 7 av piezofølsomt materiale og som er langsgående polarisert ved hjelp av en likeledes enten kontinuerlig eller alternerende spenning, idet dette materiale arbeider i modus 33.

Montasjen er symmetrisk for å kunne kompensere for vibrasjonsvirkninger når de keramiske elementer er anordnet i hydrofoner eller å øke vibrasjonsvirkningene når elementene brukes i et akselerometer.

Elementene 6 og 7 i form av røret eller platen kan være utført av forskjellig materiale, slik det fremgår av fig. le eller av ett og samme materiale 8, f.eks. et komposittmateriale, hvilket er illustrert på fig. 1 f.

Fig. 2a og 2b viser en kretssammenstilling 9a, 9b for henholdsvis et element i form av et rør 6 og en plate 7 (fig. 1 f) for å påtrykke en polarisasjonsspenning U. Begge sammenstillinger har en spenningskilde 10, en polarisasjonsforsterker 11 og elektroder 12, 13. Forsterkeren kan være eller ha innebygget en differensialforsterker (forsterkeren 14 vist på fig. 2c og d).

En slik kretssammenstilling virker på følgende måte: Hvis f.eks. røret 6 er koplet til inngangen av differensialforsterkeren 14 (fig. 2c) muliggjøres direkte oppfølging av hydrofonens følsomhet. Platene 7 (fig. 2d) inngår i et akselerometer, og i dette eksempel kan man ved sammenbygging oppnå to funksjoner.

Den varierbare (variable) polarisasjon som er knyttet til de følsomme piezoelektriske elementer utgjør en tredje funksjon som gjelder korreksjon av usymmetri av elementene (forskjell i følsomhet overfor akustiske trykkpåkjenninger) som nevnt innled-ningsvis, og korreksjonen av feil som kan forekomme eller opptre i materialet i tidens løp. Man kan på denne måte oppnå en tilpasningsdyktig funksjon. I tillegg kan man variere polarisasjonen innenfor bestemte grenser og korrigere symmetrifeil av de følsomme elementer for bedre å kunne kompensere for parasittere akselerasjoner.

Platene 7 og rørene 6 vist på fig. le er utført av et piezofølsomt materiale som er bygget opp av partikler eller mindre elementer, f.eks. fibre eller piezoelektrisk pulver som er agglomerert under trykk og i en slik utførelse er sammensatt av to forskjellige piezoelektriske materialer, idet det ene tjener til å gi god ytelse i modus 33, mens det andre er valgt for å gi god ytelse i modus 15. Dimensjonene av de piezoelektriske partikler vil, som tidligere nevnt, være avhengig av hvilket materiale man har valgt og hvilken fremgangsmåte man har brukt for å danne partiklene.

Det piezoelektriske materiale er innført mellom to metallelektroder 12, 13 med form bestemt av anvendelsen og utrustet med to ledninger 17 som samtidig tjener til opptak av et signal 16 fra føleren når denne aktiveres av en aktuell størrelse (akustisk påtrykk for en hydrofon, akselerasjon for et akselerometer etc), og til å påtrykke polarisasjonsspenning fra spenningskilden 10, idet denne spenning er nødvendig for at føleren skal virke. Man merker seg at signalet 16 opptas av en polarisasjonsforsterker H som skiller mellom polarisasjonslikespenningen, som kan variere fra noen fa volt og opp til 3 kV, og det relativt svake signal som føleren frembringer.

Som nevnt ovenfor kan det piezofølsomme materiale som brukes innenfor oppfinnelsens ramme bestå av en polymermatrise eller en matrise av et dielektrisk organisk produkt som i seg selv kan være svakt piezoelektrisk eller helt mangle denne egenskap, og piezoelektriske partikler.

Som eksempel skal angis at man for å utføre en hydrofon med et slikt materiale hvor de piezoelektriske partikler er mikrokrystaller av brushitt og skaffet til veie av firmaet ALDRICH, mens matrisen er en silikonharpiksmatrise fra firmaet RHODORSYL, kan utførelsen av elektrosematerialet skje på følgende måte: Silikonharpiksen foreligger først som en harpiks A og en herder B. Mengden 40 g av den aktuelle harpiks og 4 g herder blandes under prosessen i en blander, og 2,2 g mikrokrystaller av brushitt tilføres gradvis i denne prepolymerblanding inntil man oppnår fullstendig homogenisering. Blandingen avgasses deretter ved hjelp av en undertrykks-pumpe.

Harpiksen er fortsatt i prepolymer tilstand når deretter blandingen injiseres via en injeksjonsåpning 123 (fig. 3) i en plaststøpeform med metallelektroder. Denne støpeform, kan slik figuren viser ha form av en sylinder og kan omfatte to partier 124,125 av materialet pleksiglass. Elektrodene kan danne to metallsylindere 121 og 122 av aluminiumbronse.

I støpeformen lar man blandingen av harpiks og mikrokrystaller polymeriseres under 48 timer. Til elektrodene 121 og 122 koples, slik det er vist på fig. 4, en elektrisk koaksialkabel 131 som i sin ytterende har en kontakt 132. Den frie ende 133 av kabelen 131 er forbundet med den ytre elektrode 122 på omslutningssiden (koaksialkabelens skjerm), mens midtlederen 134 i kabelen 131 er forbundet med den innvendige elektrode 121, og det hele er lagt inn i en annen støpeform for opptak av en ytre omslutning 135 av polyuretanharpiks. Under denne prosedyre vil en del av kabelen 131 omsluttes av en ytre polyuretanharpiks, og man far på denne måte en føler som kan brukes som hydrofon.

Fig. 5 viser koplingsskjemaet for oppstillingen, og det fremgår at kontakten 132 er koplet til polarisasjonsforsterkeren 11 i lukket boksform. Forsterkerens omsluttende boks har en koaksialsokkel 142 for tilførsel av både polarisasjonslikespenningen og det signal som hydrofonen sender ut. Som tidligere nevnt kan polarisasjonsspenningen varieres etter hvilken følsomhet man ønsker, fra null og opp til 2 kV, idet reguleringen kan utføres ved hjelp av et potensiometer 143 på spenningskilden 10.

Polarisasjonsforsterkeren 11 er tilkoplet spenningskilden ved hjelp av en kabel 145 som går direkte inn i den omsluttende boks rundt forsterkeren. Denne boks har en ytterligere kontakt 146 for uttak av et forsterket hydrofonsignal.

Hydrofonens følsomhet kan måles som funksjon av frekvensen i et akustisk målekammer. Fig. 6 viser resultatet av en slik måling innenfor et frekvensområde mellom 2,5 og 10 kHz. uten polarisasjonsspenning har hydrofonen ingen målbar følsomhet, forøvrig viser diagrammet to kurver for to forskjellige polarisasjonsspenninger, nemlig 100 V og 500 V. Denne siste og øverste kurve ved 500 V tilsvarer den optimale følsomhet, uttrykt i desibel og referert til 1,0 mikropascal.

Som nevnt tidligere kan et piezofølsomt materiale bestå av én eller flere ingredienser såsom mikrokrystaller, fibre eller pulvermateriale av piezoelektrisk art, svakt eller kraftigere, eller upiezoelektrisk, og agglomerert ved trykkpådrag.

Som eksempel for en hydrofon med et materiale som består av 18 g mikrokrystaller av hydrert brushitt (CaHPO^ fremstilt av firmaet ALDRICH, er prosessen for å danne sammenstillingen av materiale og elektroder gjerne denne: Slik det fremgår av fig. 7 velges elektroder 150, 160 med innbyrdes innkamming, f.eks. av den type som er beskrevet i fransk patentsøknad nr. 94.05991. Elektrodene har som støtteelement en plate 151 hhv. 161 med dimensjon 49 mm x 49 mm og elektrodeblad 152, 162 som står normalt ut fra støtteplaten. Elektrodebladene har 1 mm tykkelse, og den innbyrdes avstand mellom to motstående blad er 3 mm.

Mikrokrystallene av hydrert brushitt er indikert med henvisningstallet 165 og er fordelt mellom elektrodebladene 152 på elektroden 150, hvoretter elektroden 160 med sine elektrodeblad 161 monteres slik at disse kommer innimellom elektrodens 150 blad og slik at avstanden mellom to påfølgende blad blir 1 mm.

Et trykk på 20 MPa påtrykkes deretter over fem minutter på den sammenstilling som er beskrevet ovenfor, ved hjelp av et verktøy som er illustrert på fig. 8. Dette verktøy har i prinsippet et stempel 171, to mellomstykker, en pressesylinder 173 og et fundament 174.

Trykket kan eventuelt opprettholdes inntil man får et homogent agglomerat, og kontrollen av homogeniteten kan utføres visuelt og ved å måle de karakteristiske dimensjoner av det produkt man har fatt, i dets hviletilstand.

Til elektrodene 121 og 122 koples, slik det er vist på fig. 4, en elektrisk koaksialkabel 131 som i sin ytterende har en kontakt 132. Den frie ende 133 av kabelen 131 er forbundet med den ytre elektrode 122 på omslutningssiden (koaksialkabelens skjerm), mens midtlederen 134 i kabelen 131 er forbundet med den innvendige elektrode 121, og det hele er lagt inn i en annen støpeform for opptak av en ytre omslutning 135 av polyuretanharpiks. Under denne prosedyre vil en del av kabelen 131 omsluttes av en ytre polyuretanharpiks, og man får på denne måte en føler som kan brukes som hydrofon.

Fig. 5 viser koplingsskjemaet for oppstillingen, og det fremgår at kontakten 132 er koplet til polarisasjonsforsterkeren 11 i lukket boksform. Forsterkerens omsluttende boks har en koaksialsokkel 142 for tilførsel av både polarisasjonslikespenningen og det signal som hydrofonen sender ut. Som tidligere nevnt kan polarisasjonsspenningen varieres etter hvilken følsomhet man ønsker, fra null og opp til 2 kW, idet reguleringen kan utføres ved hjelp av et potensiometer 143 på spenningskilden 10.

Polarisasjonsforsterkeren 11 er tilkoplet spenningskilden ved hjelp av en kabel 145 som går direkte inn i den omsluttende boks rundt forsterkeren. Denne boks har en ytterligere kontakt 146 for uttak av et forsterket hydrofonsignal.

Hydrofonens følsomhet kan måles som funksjon av frekvensen i et akustisk målekammer. Fig. 6 viser resultatet av en slik måling innenfor et frekvensområde mellom 2,5 og 10 kHz. uten polarisasjonsspenning har hydrofonen ingen målbar følsomhet, forøvrig viser diagrammet to kurver for to forskjellige polarisasjonsspenninger, nemlig 100 V og 500 V. Denne siste og øverste kurve ved 500 V tilsvarer den optimale følsomhet, uttrykt i desibel og referert til 1,0 mikropascal.

Den polarisasjonsspenning man bruker for å få en målbar følsomhet vil måtte stå i forhold til hvilket materiale man har brukt, og man kan variere polarisasjonsspenningen innenfor vide grenser. Den optimale verdi, dvs. den verdi som tilsvarer optimal følsomhet, kan i enkelte tilfeller være helt nede under 5 V.

Claims (18)

1. Hydrofon som omfatter minst ett trykkfølsomt materiale, karakterisert ved midler (9) for å påtrykke en polarisasjonsspenning (U) på dette eller disse materialer, hvor midlene (9) videre er innrettet for regulering av denne polarisasjonsspenning, idet materialet eller materialene tilnærmet fremviser ikke målbar trykkfølsomhet når ingen polarisasjonsspenning er påtrykt.

2. Hydrofon ifølge krav 1, karakterisert ved at midlene (9) for påtrykk av polarisasjonsspenningen (U) omfatter en spenningskilde (10), en polarisasjonsforsterker (11) og elektroder (12, 13, 150, 160).

3. Hydrofon ifølge krav 2, karakterisert ved at elektrodene (12, 13, 150, 160) er av kamtypen.

4. Hydrofon ifølge ett av kravene 1-3, karakterisert ved at det trykkfølsomme materiale (1, 3, 5, 6,7) inneholder partikler, er i form av et pulver eller inneholder fibere.

5. Hydrofon ifølge krav 4, karakterisert ved at partikkelstørrelsen hovedsakelig ligger mellom 5 nm og 5 mm.

6. Hydrofon ifølge ett av kravene 4 og 5, karakterisert ved at partiklene hovedsakelig har samme størrelse.

7. Hydrofon ifølge ett av kravene 4-6, karakterisert ved at partiklene er fremstilt fra minst ett biologisk materiale.

8. Hydrofon ifølge krav 7, karakterisert ved at partiklene helt eller delvis er valgt blant følgende stoffer: oligosakkarider, homopolysakkarider, heteropolysakkarider, glykosaminoglysaner, proteoglysaner, terpener, steroider, aminosyrer, oligopeptider og polypeptider, proteiner, nukleotider, nukleonsyrer, karbamider eller natursilke.

9. Hydrofon ifølge ett av kravene 4-6, karakterisert ved at partiklene helt eller delvis dannes av mikrokrystaller eller fibre av ammoniumtartrat, kaliumtartrat, diaminetylentartrat, dikaliumtartrat, natriumklorat, natriumbromat, heksahydrat av nikkelsulfat, jodsyre, benzofenon, av hydrert eller dehydrert gallussurt litiumsalt, av polyvinyldifluorid, polyvinylklorur, kopolymert vinylacetat og vinylidencyanid, vinyliden og trifluoretylen, polyvinylfluor, nylon, polyakrylonitril, polyparaksylylen, polybiklormetyloksetan, aromatiske polyamider, polysulfoner, cyanetylcellulose, monosakkarider, disakkarider, brushitt, monetitt eller karboksylsyresalter.

10. Hydrofon ifølge ett av kravene 4-6, karakterisert ved at de inngående partikler i dette agglomerat helt eller delvis fremstilles ut fra et materiale som er svakt eller ikke piezoelektrisk, såsom polystyren, polysulfon, polykarbonat, polypropylen, polyetylen, tereftalat av polyetylen, polyfenylenoksider, polyakrylatester, polymetakrylatester, polyvinylklorur, polyvinyliden, akrylonitirlpolymer, metakrylonitrilpolymer, polyvinylacetat, celluloid, celluloseacetat, polyvinylpyrrolidon, cellulosepolymer, fenolformaldehyd, fenolfurfuralharpiks, polymer løsbart i polyimid, epoksyharpiks, polymeriserbar harpiks, naturgummi, syntetisk kautsjuk, silikonharpiks, kollagen av ben og karbinol, polystyrol, lakkgummi, vinyliden- og trifluoretylenkopolymer, og polyuretan- eller polyvinylkarbazonelastomer.

11. Hydrofon ifølge ett av kravene 4-10, karakterisert ved at det trykkfølsomme materiale (1,3, 5, 6,7) består av et partikkelaglomerat.

12. Hydrofon ifølge ett av kravene 4-9, karakterisert ved at det trykkfølsomme materiale (1, 3, 5, 6, 7) består av en polymermatrise eller en matrise av et dielektrisk organisk produkt som i seg selv ikke eller bare meget svakt er trykkfølsomt, og trykkfølsomme partikler.

13. Hydrofon ifølge krav 12, karakterisert ved at polymermatrisen eller det dielektriske organiske produkt som kan være svakt piezoelektrisk eller ikke piezoelektrisk er valgt blant følgende materialer: polystyrener, polysulfoner, polykarbonater, polypropylener, polyetylener, tereftalater av polyetylen, oksider av polyfenylen, elastomerer av polyuretan, polyvinylkarbazoler og fluorklorurer av polyvinyliden, polyakrylatestere eller estere av polymetakrylat, polyvinylklorurer, polyvinylidenklorurer, polymerer av akrylonitril eller metakrylnitril, acetater av polyvinyl, celluloider, celluloseacetater, polyvinylpyrrolidoner, cellulosepolymerer, fenolformaldehyder, fenolfurfuralharpikser, polymerer som er løsbare i fenolformaldehyder, harpikser av fenolfurfural, polymerer som er løsbare i polyimid, epoksyharpikser, polymeriserbare harpikser, naturgummi, syntetisk kautsjuk, silikonharpikser, kollagener av ben og karbinol, polystyroler, lakkgummi eller kopolymerer av vinyliden og trifluoretylen.

14. Fremgangsmåte for regulering av polarisasjonen av en hydrofon som omfatter minst ett trykkfølsomt materiale og midler (9) for å påtrykke en polarisasjonspenning (U) på dette eller disse materialer, karakterisert ved påtrykk av en polarisasjonsspenning (U) under hydrofonens aktive bruk, og regulering av denne polarisasjonsspenning (U) for å endre materialets eller materialenes karakteristiske trykkfølsomhet og dermed hydrofonens tilsvarende følsomhet.

15. Fremgangsmåte ifølge krav 14, karakterisert ved at polarisasjonsspenningen (U) som påtrykkes materialet eller materialene er en likespenning.

16. Fremgangsmåte ifølge krav 15, karakterisert ved at polarisasjonsspenningen (U) som påtrykkes materialet eller materialene er en vekselspenning.

17. Fremgangsmåte ifølge ett av kravene 14 og 15, karakterisert ved at det like-eller vekselspenningsgenererte elektriske polarisasjonsfelt som påtrykkes for å frembringe trykkfølsomhet i det ene eller hvert materiale i hydrofonen, hvilke polarisasjonsfelt tilsvarer de påtrykte polarisasjonsspenninger (U), har en og samme retning.

18. Fremgangsmåte ifølge ett av kravene 14 og 15, karakterisert ved at det like-eller vekselspenningsgenererte elektriske polarisasjonsfelt som påtrykkes for å frembringe trykkfølsomhet i det ene eller hvert materiale i hydrofonen, hvilke polarisasjonsfelt tilsvarer de påtrykte polarisasjonsspenninger (U), har forskjellig innbyrdes retning.