Page 106 - 《应用声学》2023年第1期

102 2023 年 1 月

[ 2 ]
圈、辐射面的质量，如果使用的弹簧质量较大，还包 Fρ w r
SL = 20 lg + 120. (6)
含 1/3 的弹簧质量 [10] ；C m 为驱动振子中悬挂弹簧 2(M m + M a )
的柔顺系数，R m 为悬挂弹簧的机械阻尼；F 为驱动 由式 (6) 可以看出，传统的电动式换能器设计理论
振子输出的安培力。驱动振子置于封闭的刚性壳体 中，在质量控制区的声源级是与频率无关的量，在驱
内，仅留出自由振动的辐射面与水介质接触，将机械 动振子的输出安培力、辐射面半径、辐射面的质量
振动的能量转换为声能量辐射到水介质中，这样，其 确定的情况下，质量控制区的声源级频响曲线是平
声辐射模型一般等效为如图 3(b) 所示的单面活塞 坦的。然而，电动式换能器的声源级测试曲线在质
辐射。
量控制区出现了不同程度的起伏现象，表明传统的
电动式换能器理论设计方法在预报其性能方面存
F
ඵ 在不足。这些极值的出现，在舰船噪声信号模拟应
用中增加了输入信号均衡的难度。
M m
ඵ ᄾቇ
电动式换能器的3 段腔体构成了突变截面的声
R m ᣣ࠱᭧
腔，声腔作为一种重要的声学元件，作为负载施加
C m
ܧʹ
在辐射面的背面，必然对驱动振子辐射面的输出带
(a) ఻೚૝үവی (b) ܦᣣ࠱വی 来影响。基于波导管的四端等效网络电路图给出的
含有声腔结构的电动式换能器等效电路，如图 4 所
图 3 传统的电动式换能器的机械及声辐射模型
示。图 4 中左端为驱动振子的等效电路。相比起传
Fig. 3 Traditional mechanical vibration model
and acoustic radiation model of moving coil pro- 统的电动式换能器等效电路，图4中增加了右端的3
jector 段腔体的等效电路，各部分的阻抗元件的表达式分
别为 [11]
在上述机械振动模型和声辐射模型下，在振动
( )
系统的质量控制区，辐射面的振速可表示为 ρ a c a k a l i
Z i = j tan , (7)
S i 2
v = F/[ω(M m + M a )], (3)
ρ a c a 1
Z 0i = , (8)
其中，ω 为角频率，M a 为辐射面上的同振质量，在电 jS i sin(k a l i )
8 3
动式换能器工作的低频段内 M a = ρ w r ，ρ w 为水 其中，ρ a 为腔内气体的密度，c a 为腔内气体的声速，
3
的密度，r 为辐射面的半径。 S i 为各段腔体的截面积，l i 为各段腔体的长度，k a 为
辐射面在水中产生的声压可表示为 腔内气体的波数。
ρ w fvπr 2 依据图4 得到的电动式换能器级曲线在质量控
p = D(θ), (4)
d 制区明显出现了多个极值，声源级曲线出现了起伏
其中，d 为距离辐射面声中心的距离，D(θ) 为指
现象。文献 [9] 中研究了声腔的结构尺寸、声腔底部
向性函数，在电动式换能器工作的超低频段内，
边界条件、声腔内气体的声参数对声源级响应起伏
D(θ) ≈ 1。
的影响作用，给出了在工作频段内抑制或消除声源
在质量控制区电动式换能器的声源级可表示为
级起伏的方法：在声腔底面敷设吸声材料可以抑制
SL = 20 lg(pd) + 120. (5)
声源级起伏；在声腔内充入阻抗特性小的气体则可
结合式(3)和式(4)，则式(5)可写为 以将起伏出现的频率移至工作频率之外。

M m C m R m Z r Z  Z  Z  Z  Z 
v Z 
S . 
Z 01 Z  Z 
F P

图 4 含有声腔的电动式换能器等效电路
Fig. 4 Equivalent circuit of moving coil projector with acoustic cavity