电磁式大功率水下超低频声源研究

　　目前，海洋环境探测主要依靠声波. 声波在海水中的吸收与频率相关，声波的频率越低，在海水中的吸收越少，传播距离就越远. 因此，100Hz以下的超低频水下声源研究成为近年来倍受关注的焦点[1].

　　欧美各国、俄罗斯、日本等水声强国早已开展了相关的研究工作，研制了多种类型的超低频大功率声源. 最近出现了几种新型的超低频声源，如日本研制的稀土镶拼圆环换能器，工作频率30Hz，声源级为193B; 美国这者提出的开缝圆环换能器，工作频率可以达到5Hz; 美国的Dimitri M. Donskoy等提出了一种空气弹簧式超低频声源，其谐振频率为77Hz，声源级为200dB[2-4]. 俄罗斯也在太平洋的声学试验中使用了工作频率200Hz的超低频声源[5]. 这些声源虽然具有不同的工作原理，但存在着价格昂贵、体积重量大的缺点.

　　国内，对于超低频声源的研究非常少. 虽然也有人曾尝试采用电动式声源、特制灯泡爆炸声源和电火花声源来实现，但存在着声源级低、稳定性和使用条件的局限性等多方面缺点.

　　本文提出了一种超低频水下声源的解决方案.使用电磁式驱动作为活塞式超低频声源的驱动; 运用Matlab/Simulink和电磁有限元软件Ansoft对电磁驱动声源动态特性进行仿真、优化; 设计了一种电磁式超低频水下声源. 电磁式超低频水下声源具有谐振频率低、体积位移大、结构简单、体积小重量轻、工作稳定的特点，在实现超低频大功率发射方面具有一定的优势.

　　1 声源辐射研究

　　基于电磁驱动的超低频大功率水下声源采用单面活塞式结构. 声源主要包括辐射面、往复弹簧、电磁驱动、壳体4个部分. 声源活塞面在电磁驱动的作用下做往复运动，其结构如图1所示.

　　单面辐射的平面活塞在水中辐射声场. 要受到介质的反作用力，声源的负载等效为一个辐射阻抗[6]:

　　式中:RS为辐射阻，XS为辐射抗. 由于声源工作频率在100Hz以下的超低频段且无幕，声源发射的声波向整个空间辐射，那么半径为a、面积为s的辐射面其辐射阻为

　　辐射抗为

　　活塞受到介质的作用力为

　　式中: u0为辐射面振速.

　　声源辐射面在受到电磁驱动的电磁力F激励下，辐射面的振动方程可以表示为

　　由于在超低频段声源的辐射阻RS远小于辐射抗XS，所以将u0Rs项忽略，振动方程(5)改写为

　　式中: Ms是由辐射抗带来的辐射面附加质量.

　　活塞式声源在水下辐射声功率P为

　　无指向性声源水下辐射声源级与声功率的关系可以表示为