摘要
基于远程水声通信与探测、海洋资源勘探开发和水声对抗技术等领域需求，要求水声换能器具备低频、宽带、小尺寸、大功率等特性。电-磁式换能器相较于压电换能器和磁致伸缩换能器具有位移峰值大和振动质量小的优势，被广泛应用于开发超低频水声发射换能器。动圈式换能器作为电-磁式换能器的一种，相较于动铁式和动磁式换能器同时具备结构简单、位移峰值大和振动质量小等优点，相同驱动力条件下，振动体积位移更大，换能器声辐射性能更强。但传统设计的动圈式换能器存在驱动力较小的劣势。为了解决以上技术问题，本文提出了一种新结构的动圈式低频水声换能器，它采用径向充磁永磁体并设计了内外双动圈结构。该动圈式水声换能器能够在相同磁体体积和换能器体积下，对换能器驱动力提升逾两倍，极大地提升换能器发射功率。 本论文中的动圈式水声换能器研究设计以电磁相互作用理论、质量-弹簧-阻尼机械振动系统模型以及平面活塞声辐射理论为基础，对双动圈式水声换能器工作原理以及结构设计进行分析。通过换能器集中参数模型，绘制等效电路图分析工作过程中的电-机-声转换过程，据此提出了换能器的优化设计方法，主要优化设计内容有磁路单元优化设计、可动部件优化设计、辅助部件优化设计、压力补偿系统设计和密封壳体设计。 进一步，构建双动圈式低频水声换能器的多物理场数值仿真模型，该模型借助三维建模软件SolidWorks和有限元仿真分析软件COMSOL对换能器的电磁特性、声辐射特性和机械结构特性做了全面分析。电磁特性主要包含磁场分布、输出力因子，有效磁导率和线圈电感;声辐射特性主要包含声压分布、声强分布、位移频响、速度频响、声源级和指向性;机械结构特性主要包含特征频率和振型图。根据仿真结果，对换能器零部件进行结构优化设计，最终形成换能器设计图纸并交由工厂加工制作。 研制组装了双动圈式低频水声换能器样机，样机直径230mm,高度435mm，重量32kg。在大型消声水池进行了换能器性能测试研究，通过自由场测试方法，标定换能器样机的有效工作频率范围20～500Hz;最大声源级186.6dB（谐振频率处）;平均声源级达到174dB。进一步，将试验测量结果与仿真结果进行对比，分析讨论了仿真与试验结果产生误差原因和改善方法。本论文从理论研究、仿真设计以及实验测试等方面较为全面的进行了基于径向充磁的双动圈式低频水声换能器设计研究。
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