Jeg jobber med design av ekkolodd i Kongsberg Maritime. I ekkolodd brukes piezoelektriske plater til å sende og motta lyd. Min jobb er å få platene til å sende eller motta lyd på riktig frekvens og i riktig retning. Vanligvis er platene laget av et keramisk materiale som heter PZT, men nå har vi i samarbeid med Forskningsrådet og Centre for Innovative Ultrasound Solutions (CIUS) fått muligheten til å lære oss å lage design med enkrystallinske materialer (single crystals). Med disse materialene kan ekkoloddene lages mer kompakte, og hvert enkelt ekkolodd kan brukes på flere frekvenser enn tidligere.

Piezoelektrisitet

• Når vi setter en vekselspenning over et piezoelektrisk material, utvider det seg og trekker seg sammen.
• Tilsvarende vil et piezoelektrisk materiale som blir presset sammen, generere en elektrisk spenning.
• Denne effekten kan brukes til å sende lydbølger mot et objekt under vann, og til å motta lydbølgene som reflekteres tilbake fra objektet.
• Mange materialer er piezoelektriske, i varierende grad. Keramikker og krystaller kan ha sterk piezoelektrisitet.
• Keramikk er såkalt polykrystallinsk. Den er delt inn i mange små domener. Retningen på den elektriske polarisasjonen kan være litt forskjellig fra domene til domene. Enkeltkrystallinske materialer består av bare ett domene, slik at all elektrisk polarisasjon er rettet samme vei.

Hvorfor er det viktig med små ekkolodd og mange frekvenser?

«Liv under vann» er FNs bærekraftsmål nr. 14, og i Norge har langtidsplanen for forskning og utdanning 2019-2028 hav som et av fem prioriterte områder. For å få rene og rike hav og sunn og trygg sjømat, trenger vi detaljert kunnskap om hva som foregår i havet. Det er også slik at studier av livet i havet gir oss mye informasjon om klimaendringene på jorden. Havet absorberer CO2 og varme, og det er viktig å forstå hva endringer betyr for livet i havet og for alt liv som avhenger av havet.

Undervannsroboter og små plattformer som plasseres på havbunnen revolusjonerer nå havforskningen. Innsamling av data kan foregå på steder og tider som ikke var mulig tidligere. Jo flere frekvenser som kan sendes fra de små plattformene, jo mer detaljert og variert kunnskap får vi. Det kan sammenliknes med å ha farge-TV i stedet for svart/hvitt-TV. Fargene hjelper oss med å klassifisere det vi ser. Forskjellig signalstyrke fra forskjellige frekvensbånd gir oss informasjon om type biologi, gass og oseanografiske lag. Vi ønsker derfor å lage mer kompakte ekkolodd slik at vi får plass til flere på hver plattform, og vi ønsker at hvert ekkolodd skal fungere i så stort frekvensområde som mulig.

Hvordan kan enkrystallinske materialer hjelpe oss?

Det siste tiåret har enkrystallinske piezoelektriske materialer blitt introdusert innenfor medisinsk ultralyd, blant annet av CIUS-partner GE. Med enkrystallinsk materiale kan man få ønsket frekvens med en tynnere plate enn man kan med PZT-keramikk. Dette gir mer kompakte ekkolodd. Det nye materialet gir også muligheter for forenklet elektronikk og dermed ytterligere plassbesparing. En gitt elektrisk spenning gir høyere lydtrykk fra den enkrystallinske platen enn fra en plate i PZT-keramikk, og dette lydtrykket kan leveres i et større frekvensområde.

Hvordan jobber vi for å få det til?

Enkrystallinsk materiale er svært dyrt, og ekkoloddene trenger mye mer piezoelektrisk materiale enn de medisinske ultralydprobene. Lyden må forplante seg mye lenger i havet enn i kroppen, og skal reflekteres fra andre typer objekter. Det brukes derfor mye lavere frekvens i havet, og piezoelektriske plater med tradisjonelt design må ha omtrent tusen ganger større volum enn i medisinske applikasjoner.

For å kunne tilby ekkolodd til en akseptabel pris til flest mulig små plattformer, gjelder det å finne design som bruker minst mulig krystall. Det er dessuten slik at man ikke oppnår alle fordelene med enkrystallinske materialer bare ved å erstatte PZT-platen i et eksisterende design. Man må lage et spesialtilpasset design som lar krystallen komme til sin rett. Alle gamle designveiledninger må ses på med nye øyne. Dette gjør prosjektet veldig spennende, og gjør at det er spesielt nyttig å ha så mye forskjellig ultralyd-ekspertise samlet i CIUS.

Kongsberg har som nevnt hentet inspirasjon og erfaring fra det medisinske miljøet. Vi er også heldige å ha en ultralyd-gruppe på det lokale universitetet USN i Horten, med mye praktisk erfaring og et stort laboratorium. Allerede har vi hatt stor nytte av arbeid som andre i CIUS har gjort tidligere, for eksempel program for transducer-modellering, materialkarakterisering og studier av komplekse piezoelektriske parametere. Nå bygger vi prototyper i Kongsbergs produksjonsavdeling, blir kjent med krystallenes fordeler og ulemper og gleder oss til å se hvor mye ekstra informasjon vi kan hente fra havet.