2 = (.10) Trong đó Upeak là công suất đỉnh
2.4 VẬT LIỆU THIẾT KẾ, CHẾ TẠO SENSOR [3,6] 1 Vật liệu áp điện
2.4.1 Vật liệu áp điện
Từ năm 1950, gốm áp điện tổng hợp với tư cách là vật liệu chuyển đổi đã đến độ chín muồi do đạt được khả năng tái tạo đối với thành phần đã cho do tính chất đa dạng.
Bản chất điện cơ của những vật liệu đó trong trạng thái phân cực được mô tả bởi các phương trình tuyến tính. Với ứng suất và điện trường như các biến độc lập.
s = sET + dE D = dT + εTE (2.13) Với ứng suất và mật độ diện tích (độ điện dịch) như các biểu độc lập. s = sDT + gD E= -gT + βTD (2.14) Trong đó: S - biến dạng; T - ứng suất; E - điện trường; D - độ cảm ứng điện (độ điện dịch); sE - độ thuận đàn hồi ở điện trường không đổi; εT- hằng số điện môi ở ứng suất không đổi; và βT - độ không thấm điện môi ở ứng suất không đổi; d và g là các hằng số điện áp được định nghĩa như sau:
Hệ số ghép điện cơ là số đo quan trọng của hiệu suất biến đổi năng lượng và được định nghĩa bằng biểu thức:
k = Um/UeUd = d/εTSE (2.16) Trong đó: Um - mật độ năng lượng đàn hồi và điện môi tương hỗ
Ue - mật độ năng lượng riêng đàn hồi Ud - mật độ năng lượng riêng điện môi.
Đó là tham số chuẩn tĩnh có thể liên hệ với các hằng số vật liệu cơ bản đối với các sensor một chiều. Định nghĩa không nhất thiết áp dụng cho mọi hình dạng.
Mặc dù gốm áp điện có thể hoạt động ở các chế độ khác nhau song có hai loại rất quan trọng đối với các sensor âm thanh dưới nước. Ở loại chế độ song song, ứng suất, biến dạng và điện trường đều cùng hướng nhưng vuông góc với điện trường. Mỗi loại ở chế độ này được đặc trưng bởi các hằng số liên quan với nó, ví dụ, tương ứng d31 hoặc d33, g31 hoặc g33,
k31 hoặc k33. Hằng số điện môi đáng quan tâm là theo hướng điện trường đối với cả hai trường hợp và được ký hiệu là ε33. Đối với các hằng số ở trên, hướng của vectơ điện trường được ký hiệu bởi hướng và hướng của biến cơ, nếu khác, là chỉ số khác. Hệ số ghép điện cơ bổ sung kp là hữu ích đối với một số áp dụng. Nó liên hệ với k bởi phương trình:
31
2 /(1 E)
p
k = −σ k (2.17)
trong đó σE = hệ số Poisson ở điện trường không đổi.
Vật liệu gốm áp điện quan trọng nhất đối với các Sensor âm thanh dưới nước là các thanh chì ziriconat titanat (PZT) cải biến và mức độ ít hơn các thành phần bari titanat (PZT) cải biến, Phụ lục 4 nêu một số tính chất quan trọng hơn của những vật liệu đó. Đặc trưng tiêu biểu là chì ziriconat titanat "rất cứng", chì ziriconat titanat "cứng" và titanat "mềm". Đã có tiến bộ trong các xác định và phân loại các thành phần gốm khác nhau. Các tính
chất của gốm áp điện thay đổi như các hàm thời gian, ứng suất tĩnh, chu trình ứng suất và cường độ điện trường.
