Page 105 - 《应用声学》2023年第1期
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第 42 卷 第 1 期 杨洋等： 电动式换能器声源级起伏改善实验研究 101
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0 引言 ২ૈुዔ
电动式换能器具有体积小、重量轻、超低频发 ጳڔ
射的特点，在舰船噪声模拟、声呐系统校准等领域 භᇓʹ
得到广泛应用 [1−3] 。传统的电动式换能器设计理论 ᣄᇓʹ
中，只考虑了换能器中驱动振子自由状态下的振动 图 1 驱动振子结构示意图
特性 [4] ，未考虑换能器中的声腔对驱动振子输出振 Fig. 1 Schematic diagram of vibrator in moving
速的影响，导致实测的电动式换能器的声学性能与 coil projector
理论预报结果不符 [5−8] 。桑永杰等 [9] 提出了含有声
为了适应在一定深度下安全工作，电动式换能
腔结构的电动式换能器等效电路，提出声腔输入端
器通常采用被动式压力补偿系统平衡换能器内外
的声阻抗在某些频率处具有极值，导致驱动振子中
的静水压，即在驱动振子后面的壳体内设置可压缩
辐射面的声负载在这些频率处产生剧烈变化，引起
橡胶囊，如图 2 所示。橡胶囊内一般充入常压空气，
了辐射面的输出振速在这些频率处发生变化，从而
当电动式换能器置于水中后，随着深度逐渐增加，橡
导致了声源级曲线在这些频率处出现起伏；研究了
胶囊的底面逐渐向图示中左边移动，直至橡胶囊底
声腔的结构尺寸、声腔底部边界条件及腔内气体的
面接触到驱动振子的底面，则此时深度达到了电动
声学特性对电动式换能器的声源级曲线起伏的影
式换能器的极限工作深度。由图 2 可知，电动式换
响，提出在声腔内充入特性阻抗比空气小的气体来
能器内部存在 3 段不同截面的腔体，第一段起到提
消除工作频段范围内电动式换能器的声源级起伏，
供辐射面自由振动空间的作用，第三段起到压力补
理论计算和有限元仿真结果显示效果良好。
偿的作用，第二段则起到连通第一段和第三段腔体
本文从实验角度对该结论加以了验证。首先基
的作用。第一段和第二段腔体的体积恒定不变，第
于加速度计测试了仅有驱动振子情况下的辐射面
三段腔体体积则随着工作深度发生变化，工作深度
输出振速，归算得到了无声腔时的声源级曲线；然
与第三段腔体的体积满足如下关系：
后测试了含有声腔并在声腔底部设置吸声棉时辐
′
射面的输出振速，得到了含有声腔时的声源级曲线； (V 1 +V 2 +V 3 )P 0 =(0.1h + 1)P 0 (V 1 +V 2 +V ), (1)
3
最后在电动式换能器的声腔内充入了特性阻抗较 V 3 − 0.1h(V 1 + V 2 )
V = , (2)
′
3
小的氦气，得到了声腔内冲入氦气时的声源级曲线。 0.1h + 1
实验结果验证了理论预测的正确性，即声腔谐振可 其中，V 1 、V 2 分别为第一段、第二段腔体的体积，V 3
导致电动式换能器频响曲线出现起伏，通过在声腔 为第三段腔体的初始体积，即未入水前的体积，V 3 ′
底部敷设吸声棉抑制声源级起伏并不可行，而在声 为在水深为h时的第三段腔体的体积。
腔内充入特性阻抗较小的气体则能有效地消除声 ᇓ ܧʹ
源级起伏现象。
ඵ
1 电动式换能器改善输出响应起伏实验的 1 2 ቇඡ 3 ൃᑛٺ
理论基础 ᣣ࠱᭧
电动式换能器主要包括驱动振子和压力补偿 图 2 电动式换能器中的声腔示意图
系统两部分。其中驱动振子是电动式换能器的核心 Fig. 2 Schematic diagram of acoustic cavity in
moving coil projector
部件，其振动性能决定着换能器的声输出性能，驱动
振子的基本结构如图 1 所示。永磁体和软磁体组成 传统的电动式换能器在理论预报声源级曲线
驱动振子的磁路；线圈与辐射面连接，置于磁路的气 时，一般基于经典的单自由度质量 -弹簧 -刚度振动
隙中，线圈通交流电后产生交变的安培力驱动辐射 系统模型的机械输出特性和单面活塞声辐射模型。
面，辐射面在悬挂弹簧的恢复力作用下输出交变的 首先将驱动振子 (包含磁路、线圈、悬挂弹簧、辐射
振速，辐射面与水介质接触则将振动的机械能转化 面等) 等效为如图 3(a) 所示的集中参数模型，其中
为声能辐射出去。 M m 为驱动振子的振动质量，包含驱动振子中的线
