Υλικά και διατάξεις για υδρόφωνα και ακουστικές μετρήσεις

Abstract

Acoustic sensors are devices designed to detect sound waves. Sensors that detect sound waves in the air are microphones, and sensors that detect sound waves underwater are hydrophones. Acoustic sensors transform sound waves into electrical signals thus making further analysis possible. Acoustic sensors have a wide range of applications in industry, medicine, and military defense. For example, in the detection of underwater targets, in the study of underwater organisms and ecosystems, and in communications. As part of the preparation of this PhD Thesis, hydrophones were initially developed using commercial piezoelectric discs consisting of Pb(Zr(1−x)Tix)O3 (PZT) of different technical characteristics and dimensions, as sensing elements, and their acoustic response was studied. Following this, an electrical circuit was designed to improve the acoustic performance of the hydrophone and to allow for further processing and analysis on a computer. The hydrophone was calibrated using the method of substitution and its performance was compared to that of commercially manufactured hydrophone in terms of its acoustic response. Last but not least, the sol-gel and solid-state reaction techniques were used to develop barium titanate (BaTiO3) and Ba(1-x)SrxTiO3 (0≤x≤0.8) piezoelectric sensing materials, with the ultimate objective of replacing PZT. These sensor materials can then be used as acoustic sensor elements in sound measurements and hydrophone development.

Οι ακουστικοί αισθητήρες είναι οι συσκευές που χρησιμοποιούνται για την ανίχνευση ηχητικών κυμάτων που διαδίδονται είτε στον αέρα (μικρόφωνα), είτε στο νερό (υδρόφωνα) μετατρέποντας τα ηχητικά κύματα σε ηλεκτρικά σήματα και παρέχοντας τη δυνατότητα περαιτέρω επεξεργασίας και ανάλυσης. Οι ακουστικοί αισθητήρες χρησιμοποιούνται σε ένα ευρύ φάσμα βιομηχανικών, ιατρικών και στρατιωτικών εφαρμογών, όπως είναι η ιατρική, η μελέτη θαλασσίων οργανισμών και οικοσυστημάτων, η ανίχνευση υποβρύχιων στόχων και η επικοινωνία. Στο πλαίσιο της εκπόνησης της παρούσης Διδακτορικής Διατριβής, αρχικά αναπτύχθηκαν υδρόφωνα χρησιμοποιώντας, ως αισθητήρια στοιχεία, εμπορικούς πιεζοηλεκτρικούς δίσκους αποτελούμενους από Pb(Zr(1−x)Tix)O3 (PZT) διαφορετικών τεχνικών χαρακτηριστικών και διαστάσεων και μελετήθηκε η ακουστική τους απόκριση. Εν συνεχεία, έλαβε χώρα ο σχεδιασμός και η ανάπτυξη ενός ηλεκτρονικού κυκλώματος για τη βελτίωση της ακουστικής απόκρισης του υδροφώνου και τη δυνατότητα περαιτέρω ανάλυσης και επεξεργασίας σε ηλεκτρονικό υπολογιστή. Προκειμένου να διακριβωθεί το υδρόφωνο, έλαβε χώρα η τεχνική σύγκρισης υδροφώνων κατά την οποία συγκρίθηκε η ακουστική του απόκριση με την αντίστοιχη ενός εμπορικού. Tέλος, αναπτύχθηκαν αισθητήρια πιεζοηλεκτρικά υλικά τιτανικού βαρίου (BaTiO3) και Βa(1-x)SrxΤiO3 (0≤x≤0.8) με τις τεχνικές sol-gel και αντίδρασης στερεάς φάσης, με απώτερο σκοπό την αντικατάσταση του PZT και τη χρήση τους ως ακουστικά αισθητήρια όργανα που θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν σε ακουστικές μετρήσεις και υδρόφωνα.