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超磁致伸缩IV型弯张换能器是实现大功率低频水下声波发射的有效途径，在水下远距离探测、水声通信等领域具有广阔的应用前景。然而，影响弯张换能器输出性能的参量众多，如何快速得到各参量与输出频率及声源级之间的关系，进而得到设计方案的问题一直未得到解决。 为提高电声转化能力并有效减少设计与试验成本，湖南大学国家电能变换与控制工程研究中心的宁倩、李桥、高兵、赵能桐、罗安提出了一种综合考虑材料电磁参数极限、空化边界条件以及最大主应力边界条件的大功率低频超磁致伸缩IV型弯张电声换能器优化设计方法，并研制了频率为480Hz、最大声源级达206dB的电声换能器样机。湖试实验结果验证了所提方法的有效性。
研究背景
超磁致伸缩材料（Terfenol-D）的电磁参数极限、换能器壳体的空化边界以及极限应力边界是超磁致伸缩IV型弯张电声换能器在目标深度下提升辐射声功率的重要限制条件。
图1 超磁致伸缩换能器基本结构
一方面，受超磁致伸缩材料特性的影响，当交流激励磁场大于偏置磁场时，换能器将输出倍频非线性声波，导致输出功率难以提高。另一方面，当换能器表面声压增加到超过工作水深下的空化阈值时，将产生空化现象，导致输出波形失真，换能器的辐射阻抗减小，电声效率降低。此外，换能器的壳体既需要承受静水压力，还需要为棒材提供合适的预应力，若设计不当，壳体的最大主应力将超过屈服应力极限，导致壳体在振动过程中无法恢复初始状态，产生永久变形。
当前大量文献将等效电路法应用于结构较简单的纵振式电声换能器中，取得了良好的分析与设计效果。然而，由于弯张换能器的机械结构复杂，传统的等效电路法难以对其进行准确建模分析，且所得电路模型难以对磁路结构的有效性进行计算与验证，也无法对壳体的应力分布情况进行分析。
随着数值计算软件的发展，研究人员倾向于基于有限元仿真的弯张换能器设计方法。然而，影响弯张换能器输出性能的参量众多，如何快速得到各参量与输出频率及声源级之间的关系，进而得到设计方案的问题一直未得到解决。
论文方法及创新点
为减少换能器制作与试验的成本，在合理的数据范围内得到符合要求的设计方案。湖南大学电能高效高质国家重点实验室创新性地将有限元设计方法与响应曲面法结合，用于大功率低频超磁致伸缩电声换能器的设计。提出了一种综合考虑电磁机声多边界条件的大功率低频超磁致伸缩IV型弯张电声换能器优化设计方法，其设计流程如图2所示。
首先对棒材的数量以及磁回路结构进行优化设计、对空化边界条件及最大应力边界条件进行了分析，如图3~6所示；然后重点结合有限元多场耦合仿真构建了以频率、声源级为设计目标，机械壳体主要结构参数作为优化变量的Box-Behnken法响应面模型，从而得到优化设计方案。
图2 超磁致伸缩换能器基本结构
图3 超磁致伸缩棒材体积与声源级的关系曲线
图4 棒材切割前后激励磁场分布情况对比
图5 工作深度、声源级与空化阈值面积的关系
图6 应力仿真模型与分布云图
最后，研制了一款超磁致伸缩IV型弯张换能器样机，如图7所示。搭建了湖试测试平台，验证了本文所提设计方法的合理性。湖试结果表明：研制的超磁致伸缩Ⅳ型弯张换能器，在40m目标工作水深下，谐振频率为480Hz，最大声源级达到206dB，符合预期设计目标，验证了本文所提优化设计方法的正确性。
图7 超磁致伸缩IV型弯张电声换能器样机
团队介绍
电声转化课题组湖试实验现场合影
国家电能变换与控制工程研究中心由罗安院士领衔，汇集了电气、机械、材料等多学科交叉人才。团队以电能转化国家需求和重大任务为牵引，在电能高效高质转化的三个重要方向——电声转化、电磁转化、电热转化集中攻关，进行科学与技术创新。该论文由电声转化课题组成员完成。
本工作成果发表在2023年第12期《电工技术学报》，论文标题为“电-磁-机-声多场边界下的超磁致伸缩Ⅳ型弯张换能器设计方法”。本课题得到国家重大科研仪器研制项目与国家自然科学基金重点项目的支持。
引用本文
宁倩, 李桥, 高兵, 赵能桐, 罗安. 电-磁-机-声多场边界下的超磁致伸缩Ⅳ型弯张换能器设计方法[J]. 电工技术学报, 2023, 38(12): 3112-3121. Ning Qian, Li Qiao, Gao Bing, Zhao Nengtong, Luo An. Design of Giant Magnetostrictive Class Ⅳ Flextensional Transducer Under Electrical-Magnetic-Mechanical-Acoustic Multi-Field Boundaries. Transactions of China Electrotechnical Society, 2023, 38(12): 3112-3121.
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