Published June 1, 2023 | Version v1
Publication Open

Realization of high performance PZN-PT single crystal based piezoelectric flexural mode hydrophone for underwater sensor applications

Creators

  • 1. Anna University, Chennai
  • 2. Combat Vehicles Research and Development Establishment
  • 3. Detector Technology (United States)
  • 4. Indira Gandhi Centre for Atomic Research
  • 5. Naval Physical & Oceanographic Laboratory
  • 6. Defence Research and Development Organisation

Description

Abstract In this article, attempts are made to grow large size PZN-PT single crystals using high temperature solution growth method by implementing novel bottom cooling technique. The grown crystals are oriented and poled along 〈001〉 direction and obtained larger piezoelectric strain coefficient (d 33 > 2000 pm V −1 ) suitable for development of underwater acoustic sensor requirements. Flexural mode hydrophone is realized using the oriented PZN-PT single crystal discs. Finite element modeling is employed to examine the design of the flexural mode hydrophone and an equivalent circuit model is also applied to study its acoustic characteristic at two extreme boundary conditions like simply supported and clamped edge condition. The underwater acoustic response of the PZN-PT single crystal based flexural mode hydrophone is evaluated over the frequency range (100 Hz to 12 kHz) and its responses are compared with the FEM and equivalent circuit model results. The predicted results from FEM and equivalent circuit model are found to be in good agreement with the experimental results. The receiving sensitivity of the PZN-PT single crystal-based hydrophone is 12 dB higher than the PZT 5A based hydrophone in the frequency range of 2 kHz to 6 kHz. The fabricated PZN-PT single crystal-based hydrophone offers better performance than the conventional piezo ceramic based flexural hydrophone.

⚠️ This is an automatic machine translation with an accuracy of 90-95%

Translated Description (Arabic)

نبذة مختصرة في هذه المقالة، تُبذل محاولات لزراعة بلورات أحادية PZN - PT كبيرة الحجم باستخدام طريقة نمو المحلول بدرجة حرارة عالية من خلال تنفيذ تقنية تبريد القاع الجديدة. يتم توجيه البلورات المزروعة وتقطيبها على طول〉 اتجاه 〈001 وحصلت على معامل انفعال كهربائي إجهادي أكبر (d 33 > 2000 pm V -1 ) مناسب لتطوير متطلبات المستشعر الصوتي تحت الماء. يتم تحقيق وضع الانحناء باستخدام أقراص الكريستال أحادية الاتجاه PZN - PT. يتم استخدام نمذجة العناصر المحدودة لفحص تصميم مكبر الصوت في وضع الانثناء ويتم أيضًا تطبيق نموذج دائرة مكافئ لدراسة خصائصه الصوتية في حالتين حديتين متطرفتين مثل حالة الحافة المدعومة والمثبتة ببساطة. يتم تقييم الاستجابة الصوتية تحت الماء للميكروفون المائي أحادي البلورة في وضع الانحناء القائم على البلورة PZN - PT على نطاق التردد (100 هرتز إلى 12 كيلو هرتز) وتتم مقارنة استجاباته مع FEM ونتائج نموذج الدائرة المكافئة. تم العثور على النتائج المتوقعة من فيم ونموذج الدائرة المكافئة لتكون في اتفاق جيد مع النتائج التجريبية. تبلغ حساسية استقبال السماعة المائية الأحادية القائمة على الكريستال PZN - PT 12 ديسيبل أعلى من السماعة المائية القائمة على PZT 5A في نطاق التردد من 2 كيلو هرتز إلى 6 كيلو هرتز. يوفر السماعة المائية المصنوعة من الكريستال PZN - PT أداءً أفضل من السماعة المائية التقليدية المصنوعة من السيراميك البيزو.

Translated Description (French)

Résumé Dans cet article, des tentatives sont faites pour cultiver des monocristaux PZN-PT de grande taille en utilisant un procédé de croissance en solution à haute température en mettant en œuvre une nouvelle technique de refroidissement par le fond. Les cristaux cultivés sont orientés et polarisés le long de la〉 direction 〈001 et ont obtenu un coefficient de déformation piézoélectrique plus important (d 33 > 2000 pm V −1 ) adapté au développement des exigences des capteurs acoustiques sous-marins. L'hydrophone en mode flexion est réalisé à l'aide des disques monocristallins orientés PZN-PT. La modélisation par éléments finis est utilisée pour examiner la conception de l'hydrophone en mode flexion et un modèle de circuit équivalent est également appliqué pour étudier sa caractéristique acoustique à deux conditions limites extrêmes telles que la condition de bord simplement soutenu et serré. La réponse acoustique sous-marine de l'hydrophone en mode flexion à base de monocristal PZN-PT est évaluée sur la plage de fréquences (100 Hz à 12 kHz) et ses réponses sont comparées avec les résultats du modèle FEM et de circuit équivalent. Les résultats prédits de FEM et du modèle de circuit équivalent sont en bon accord avec les résultats expérimentaux. La sensibilité de réception de l'hydrophone à base de monocristal PZN-PT est de 12 dB supérieure à celle de l'hydrophone à base de PZT 5A dans la gamme de fréquences de 2 kHz à 6 kHz. L'hydrophone monocristallin PZN-PT fabriqué offre de meilleures performances que l'hydrophone flexural piézo-céramique conventionnel.

Translated Description (Spanish)

Resumen En este artículo, se intentan cultivar monocristales de PZN-PT de gran tamaño utilizando el método de crecimiento en solución a alta temperatura mediante la implementación de una novedosa técnica de enfriamiento del fondo. Los cristales cultivados se orientan y polarizan a lo largo de〉 la dirección 〈001 y obtienen un mayor coeficiente de deformación piezoeléctrica (d 33 > 2000 pm V −1 ) adecuado para el desarrollo de requisitos de sensores acústicos subacuáticos. El hidrófono en modo de flexión se realiza utilizando los discos monocristalinos PZN-PT orientados. El modelado de elementos finitos se emplea para examinar el diseño del hidrófono de modo flexural y también se aplica un modelo de circuito equivalente para estudiar su característica acústica en dos condiciones de límite extremas, como la condición de borde simplemente soportado y sujeto. La respuesta acústica subacuática del hidrófono de modo flexural basado en monocristal PZN-PT se evalúa en el rango de frecuencia (100 Hz a 12 kHz) y sus respuestas se comparan con los resultados del modelo de circuito FEM y equivalente. Se encuentra que los resultados predichos de FEM y el modelo de circuito equivalente están en buen acuerdo con los resultados experimentales. La sensibilidad de recepción del hidrófono basado en monocristal PZN-PT es 12 dB más alta que la del hidrófono basado en PZT 5A en el rango de frecuencia de 2 kHz a 6 kHz. El hidrófono fabricado a base de cristal único PZN-PT ofrece un mejor rendimiento que el hidrófono de flexión convencional a base de cerámica piezoeléctrica.

Files

pdf.pdf

Files (11.9 kB)

⚠️ Please wait a few minutes before your translated files are ready ⚠️ Note: Some files might be protected thus translations might not work.
Name Size Download all
md5:418e2c07db7b1844b850810c814e44cc
11.9 kB
Preview Download

Additional details

Additional titles

Translated title (Arabic)
تحقيق عالية الأداء PZN - PT الكريستال واحد على أساس كهرضغطية وضع الانحناء هيدروفون لتطبيقات الاستشعار تحت الماء
Translated title (French)
Réalisation d'un hydrophone haute performance à mode de flexion piézoélectrique basé sur un monocristal PZN-PT pour des applications de capteurs sous-marins
Translated title (Spanish)
Realización de hidrófono de modo flexural piezoeléctrico a base de monocristal PZN-PT de alto rendimiento para aplicaciones de sensores subacuáticos

Identifiers

Other
https://openalex.org/W4381187928
DOI
10.1088/2053-1591/acdfbd

Is supplement to
https://openalex.org/W3121241482 (Other)
https://openalex.org/W3099516945 (Other)
https://openalex.org/W2779322983 (Other)
https://openalex.org/W2525800073 (Other)
https://openalex.org/W2371742857 (Other)
https://openalex.org/W2322770321 (Other)
https://openalex.org/W2128406908 (Other)
https://openalex.org/W2068208235 (Other)
https://openalex.org/W2016690814 (Other)
https://openalex.org/W1993778575 (Other)

GreSIS Basics Section

Is Global South Knowledge
Yes
Country
India

References

  • https://openalex.org/W1959547365
  • https://openalex.org/W1973166483
  • https://openalex.org/W1996470849
  • https://openalex.org/W1999391216
  • https://openalex.org/W2000476660
  • https://openalex.org/W2065702395
  • https://openalex.org/W2066987956
  • https://openalex.org/W2092695847
  • https://openalex.org/W2112878818
  • https://openalex.org/W2114017970
  • https://openalex.org/W2132701875
  • https://openalex.org/W2139227642
  • https://openalex.org/W2156659622
  • https://openalex.org/W2156840884
  • https://openalex.org/W2170984917
  • https://openalex.org/W2759134929
  • https://openalex.org/W2897111782
  • https://openalex.org/W2914362124
  • https://openalex.org/W3013485654
  • https://openalex.org/W3080188089
  • https://openalex.org/W3082169442
  • https://openalex.org/W3094293241
  • https://openalex.org/W3120764618
  • https://openalex.org/W3139061597
  • https://openalex.org/W3139419832
  • https://openalex.org/W3158403287
  • https://openalex.org/W3164872232
  • https://openalex.org/W3210968493
  • https://openalex.org/W4296050123