动磁式宽带超低频水下声源理论研究

The broadband transmission of very low frequency sound signal would be achieved by researching on theory of moving magnet broadband very low frequency sound source. The sound source has characteristics of small size and light weight, which has great significance in marine environment measurement, underwater acoustic technology, marine resources development and so on. The moving magnet actuator was brought in very low frequency sound source by this project. The moving magnet very low frequency sound source equivalent magnetic circuit model, dynamic differential equations of the electromagnetic parameters and finite element model were established by researching on moving magnet actuator principle, theory of moving magnet very low frequency sound source and method of expanding the bandwidth in sund source.The dynamic characteristics and acoustic radiation theory of moving magnet sound source were researched in deep by Matlab/Simulink dynamic simulation technology and finite element analysis technology. At the same time, the multi-physics coupling analysis of moving magnet sound source with electromagnetic field, structure and sound field was researched by using finite element multi-physics coupling analysis technology. The electricity and sound characteristics of sound source were achieved by coupling analysis. At last, According to the results of theoretical analysis, the prototype of moving magnet very low frequency sound source was manufactured. Comparing the results of measurement and theoretical analysis in magnetic characteristics, dynamic characteristics and the radiation characteristics, the analysis and design methods of moving magnet very low frequency sound source were achieved.

动磁式宽带超低频声源理论研究可以实现声源超低频宽带发射，并且声源体积小、重量轻，对于海洋环境测量、海洋资源开发、地声探测等领域具有重要的意义。本项目将动磁式驱动引入超低频声源设计领域，通过对动磁式驱动作用机理，动磁式超低频声源的分析理论以及超低频声源辐射特性进行研究，建立动磁式超低频声源的等效磁路模型，电磁参数动态微分方程组以及驱动、声源有限元模型，采用有限元技术和Matlab/Simulink系统动态仿真技术，对动磁式声源磁场特性、动态特性理论和声辐射理论进行深入研究。同时，对于动磁式超低频声源研究中存在电磁场、结构、声场等多物理场耦合问题，运用有限元多物理场耦合技术，进行动磁式超低频声源实际工况下的多物理场耦合分析，从而得到声源的各种电声特性。最后根据理论研究的结果制作声源样机。对样机的磁特性、动态特性、辐射特性进行测量并与理论分析相比较，提出动磁式宽带超低频声源的分析设计方。

100Hz以下的超低频声源对于海洋环境测量、海洋资源开发、地声探测等有十分重要的意义。美国、俄罗斯等国家已经将超低频声源广泛用于海底石油探测、海洋物理学研究等社会经济领域,而我国由于超低频声源技术的缺乏，限制了相关领域的发展。本研究即通过对新型动磁式驱动技术的理论研究，实现超低频声源的宽带超低频发射，并且声源体积小、重量轻。. 动磁式声源研究首先从动磁式驱动的磁路优化入手，通过有限元法分析桶型动磁驱动磁路、矩形动磁驱动磁路两种磁路结构，优化磁路的漏磁，磁通等磁路性能参数；然后分析动磁式驱动机理，提出了桶型动磁式驱动与平板式动磁式驱动方式用于构建动磁式超低频声源。. 在此基础上采用有限元法，利用Ansoft软件分析了两种动磁式超低频声源的静磁，静力驱动特性，得到了在恒定电流驱动下声源磁路的磁场分布情况以及静态电磁力情况，进一步优化声源的磁路与结构，得到了达到声源性能指标所需要的声源驱动与结构参数。. 然后研究了声源包含电磁场、结构振动和水中声辐射之间的耦合关系，得到了利用Ansoft软件分析具有多物理场耦合特点的动磁式声源动态特性的方法。利用Ansoft软件与声源动态特性分析方法，研究了动磁式声源在一定频率电流激励下，驱动的电磁参量（系统磁链Ψ、磁通量Φ、反电动势V、电磁力F）、运动参量（位移L、振速v）随时间的变化情况。根据动态特性的分析结果，优化不同频率下声源的振动位移，电磁力，非线性失真等动态特性，得到动磁式声源的声源级曲线。. 根据设计的声源辐射特性，通过对声源电-磁-力特性的优化提出工作频率10-100Hz动磁式声源的理论样机，并采用Solidworks等结构设计软件设计声源的结构与工艺制作加工流程，提出动磁式声源的工艺加工、装配，实施流程。最终结合3D打印等先进的制造技术，完成动磁式声源实验样机制作。经过测试，动磁式驱动声源在10-100Hz频段最大声源级170dB，带能声源级起伏10dB，声源具有超低频宽带声发射能力。声源长度小于760mm，重量48公斤，具有体积小，重量轻的特点。并且利用动磁式超低频声源所得到的多物理场动态分析理论，设计了最大声源185dB，工作深度大于50米的超低频声源。同时通过对超低频声源的理论研究，开发了超低频声源产品，实现了产-学-研结合，推动了国内超低频技术的发展。