Design und Leistungsoptimierung eines Hochfrequenz-Breitbandwandlers basierend auf P(VDF-TrFE)

Um der steigenden Nachfrage nach Bandbreitenerweiterung in hydroakustischen Wandlern gerecht zu werden, präsentiert diese Studie ein Design für einen Hochfrequenz-Breitbandwandler, der ein neuartiges piezoelektrisches Material, poly(vinylidenfluorid-co-trifluorethylen)copolymer (P(VDF-TrFE)), verwendet. Der niedrige mechanische Qualitätsfaktor von P(VDF-TrFE) mindert effektiv Resonanzeffekte und verbessert die Bandbreitenleistung des Wandlers erheblich. In dieser Studie werden die Auswirkungen der Dicke des piezoelektrischen Materials, der lateralen Dimension und der doppelschichtigen nicht uniformen Struktur auf die akustische Leistung des Wandlers systematisch durch frequenzbereichsbasierte Finite-Elemente-Simulationen mit COMSOL Multiphysics untersucht. Die Ergebnisse zeigen, dass die Erhöhung der lateralen Dimension nichtzielgerichtete Modi effektiv unterdrückt und die Glätte der Frequenzantwort verbessert, während die Einbeziehung einer doppelschichtigen nicht uniformen Struktur die Übertragungs-Spannungsantwort verbessert und die effektive Bandbreite erweitert. Darüber hinaus wird der Einfluss von Rückmaterialien, die aus Epoxidharz gemischt mit unterschiedlichen Massenfraktionen von hohlen Glassphären bestehen, analysiert. Es wurde festgestellt, dass die Bandbreitenerweiterung signifikant wird, wenn die akustische Impedanz des Rückmaterials näher an der des piezoelektrischen Elements liegt. Die experimentellen Ergebnisse zeigen, dass der entwickelte Wandlerprototyp eine maximale Übertragungs-Spannungsantwort von 151,9 dB und eine -3 dB-Bandbreite von 585 kHz innerhalb eines Betriebsfrequenzbereichs von 620-1205 kHz erreicht. Das vorgeschlagene Designschema basierend auf dem P(VDF-TrFE)-Material hat einen erheblichen Anwendungswert in hochfrequenten Breitband-Wasserakustik-Wandlern und dient als wichtige Referenz für Fortschritte in der Unterwasserkommunikationstechnologie.