大功率甚低频水下声源研究

大功率甚低频水下声源研究

随着水声工程学科的发展和海洋对于人类未来生存重要性的体现，凸显了具有传播距离优势的甚低频声波在海洋探测、开发以及军事领域运用的广阔前景，因而使得水下甚低频声源成为水声换能器领域研究的一个热点。在此研究背景下，论文将电-磁直线振动技术作为甚低频声源的突破口，以期在较小的体积、重量前提下，实现甚低频声源大功率发射并且有一定工作带宽等工作性能。

首先对甚低频大功率声源的设计难点进行了分析，结合对甚低频声源发展的研究，提出了电磁式大功率甚低频水下声源的设计思路。通过对等效磁路和机电能量转换原理的研究，建立了电磁式甚低频声源的等效磁路模型、机械振动动力学模型和动态特性微分方程组，为电磁式声源的动态性能研究提供了基础。

在此基础上，研制了电磁式驱动大功率甚低频水下声源：从平面活塞辐射特性研究出发，建立电-磁、磁-力、力-振动转换模型。采用Matlab/Simulink仿真模块建立了电磁式声源电压、磁链、反电动势、电磁力和机械运动仿真模块构成的声源动态特性仿真模型。

运用仿真模型分析了电磁式声源磁路参数、驱动电压与电磁力的关系，研究了电磁声源在不同频率下的振动动态特性。然后利用电磁有限元分析软件

Ansoft对电磁式声源性能进行了仿真。

在仿真中引入了材料非线性和驱动匹配的概念，精确的优化了声源的磁路特性、动态特性。根据优化分析的结果，制作了电磁式大功率甚低频水下声源试验样机。

通过仿真计算和试验测试，验证了电磁式声源具有大功率甚低频发射、体积小、重量轻的优点。试验样机最大外形尺寸φ320mm×280mm，重量45kg。

实际测得水中谐振频率72Hz，-3dB带宽71Hz-82Hz，最大声源级186dB。为了克服电磁式声源倍频效应和工作带宽窄的缺点，进一步降低声源的工作频率，引入了动磁式驱动概念，设计了圆桶型和平板型两种动磁式甚低频声源。

动磁式甚低频声源采用Ansoft软件进行了磁路、电磁力、动态特性优化。分析了磁路磁场均匀性、电磁力与磁路结构和永磁体的关系以及电磁力与声源动态特性的关系，从而进一步优化了声源的辐射效率和工作带宽。

根据优化结果，设计了圆桶型和平板型动磁式甚低频声源试验样机。圆桶型动磁式甚低频声源直径φ420mm，长930mm，质量103kg。

声源水中谐振频率12.5Hz，发射电流响应152dB。在5Hz到500Hz发射电流响应都大于140dB。

平板型动磁式甚低频声源直径φ216mm，长460mm，重28kg。声源水中谐振频率15Hz，最大声源级168dB，10Hz到200Hz工作频段内声源级大于145dB。