0 引言

近年来，周边国家和地区潜艇装备发展迅速，我国水下目标探测压力形势日益严峻。与此同时，我国面临第一岛链、第二岛链和第三岛链多重封锁威胁，我国“水下国门洞开”问题日益严重，海洋水下目标的远距离探测与预警需求愈发紧迫。因此，研究水下目标主动探测技术，将为国家经济发展和国家治理能力提升提供重要保障，也将有望形成海洋水下资源勘探与水下远程目标主动探测的颠覆性技术和装备^[1]。由于光波和电磁波在海水中传播时衰减严重，传播距离非常有限，而声波作为机械波，可在海水中长距离传播^[2]，因此目前海洋信息的获取、传输主要依赖声波这一信息载体^[3]。其频率越低，传播过程中的能量损失越小，传播距离就越远；同样频率下，当声波发射装置的功率增加时，声波传输距离也会增加。

国际海洋信息化技术发展趋势及我国海洋建设的种种举措，标志着海洋信息时代的到来。声波作为水下信息的主要载体，成为水下信息感知、目标探测和通讯的主要技术途径^[3-4]。在海洋通信领域，超低频（10~400 Hz）声波具有远距离传播的独特优势，可实现上万公里的声信号传播，在海洋研究和国防建设上具有十分重要的应用前景^[5]。水下目标主动探测领域也主要依赖声学手段来获取水下目标的位置、距离、大小等信息参数，随着潜艇主动降噪技术发展和消声瓦的使用，使得潜艇噪声变得越来越小，一些潜艇的噪声已经接近海洋的背景噪声，很难被敌人察觉。传统的水声探测技术主要集中在高频段和低频段，并且由于被动声呐自身的限制，并不能独立地实现潜艇探测。所以，主动声呐已经成为了远距离探测目标、传递信息的重要方式。并且，为了实现远程无盲区主动探测，声呐的工作频率也逐渐下降，有的甚至已经小于 100 Hz，且对于噪声较低目标的探测，声波频率越低越好^[6]。海洋环境声学遥测领域中，海洋声层析技术和海洋波导声学成像都是基于声学手段对海洋内部进行观测^[6]，借助声波信号携带的信息来研究海洋特性 ^[7]。海洋资源勘探技术则利用海底各分层介质的特性声阻抗不同会导致声波在各分层面上产生反射的特性原理，分析不同分层面反射声波到达接收水听器的时间和强度，进而分析海底各层的物理特性。由于超低频声波波长较大，地层穿透能力更强，能够实现更底层的资源勘探。

受到上述海洋科学研究、资源开发、国防等领域需求的推动，大功率超低频换能器成为了未来水声技术发展中的研究热点与关注焦点。但是换能器实现超低频发射时需要降低换能器等效刚度或增加等效质量，达到高辐射声功率时需要足够大的体积位移，因此传统换能器大功率超低频发射时总伴随着体积大、质量重的不足。图1 展示了压电换能器的理论频率–功率曲线，可以看出，当换能器谐振频率低于 100 Hz 时，若要声辐射功率达到 100 W，估算换能器的重量将明显大于 100 kg。在换能器实现大功率发射时，随着换能器工作频率的降低，其体积和重量将成倍增加^[5]。因此，电声换能器实现大功率超低频发射的同时，满足换能器体积小、重量轻的特点存在很大的挑战。

电磁换能器相比于传统功能材料换能器（压电材料、磁致伸缩材料）具有结构原理简单、成本低、易组成换能器阵列的优点^[7-8]，相比于动圈式换能器具有单位面积输出力大的优势，其对比如表1 所示，是实现大功率超低频发射的有效方式之一^[7]。目前，欧美发达国家已对大功率超低频电磁换能器进行了大量的理论和技术研究，并取得了一定的研究进展^[9]；国内该领域仍处于起步探索阶段^[10-13]，本文综述了国内外大功率超低频电磁换能器的发展现状，分析了大功率超低频电磁换能器装备研制的关键技术，并对其未来的发展趋势和应用进行了展望。

1 大功率超低频电磁换能器国内外研究现状

典型的电磁换能器驱动部分由励磁堆、线圈和动铁构成。当在线圈中施加交变电流时，磁场通过励磁堆、气隙、动铁形成闭合磁路，随着磁场的变化，气隙中发生磁能的变化，产生电磁力，从而带动辐射面的振动。其工作原理图如图2 所示。

1.1 加拿大研制的大功率超低频电磁换能器

加拿大 GEOSPECTRUM 公司开展了电磁换能器的理论研究及装备研制工作，研发出了系列化的换能器装备。图3 为该公司研制的 C-BASSM72-1000 电磁换能器。由于其具有尺寸、重量灵活可控，功率等级高的优势，加拿大已利用 M72-1000 在北极地区建立了海洋观测网络，并且成为成熟的超低频换能器商业产品，得到了广泛的应用。其谐振频率为 32 Hz，工作频段为 15~100 Hz，最大声源级为 195 dB，直径为 0.97 m，厚 0.2 m，重 300 kg^[13]。该换能器具备价格低廉、结构紧凑、高效、高带宽的优点，当配备被动气囊等压力补偿装置后，可在100 m 水深处使用，而主动补偿能够支持换能器在水下 1 000 m 的工作。此外，该电磁换能器还可以通过组阵的方式，提高换能器的声源级，用于超低频反潜战系统、声扫雷、超低频校准源、水下导航以及射程超过 1 000 km 的超低频通信系统。其不同型号的换能器性能对比如表2 所示。

1.2 俄罗斯研制的大功率超低频电磁换能器

在大功率超低频电磁换能器方面，俄罗斯已经有了较为成熟的研究，研制了多种结构形式的电磁换能器，主要分为 2 种结构形式的换能器——活塞式和膜结构，如图4 所示。

活塞式电磁换能器由圆柱金属外壳和一对活塞组成，活塞受激励电磁力的作用，往相反方向振动；活塞两侧由一组圆柱形压缩弹簧连接固定，外壳与活塞之间的间隙使用橡胶密封，保证换能器的活塞式振动和水密封。在 20 世纪 90 年代，俄罗斯曾使用 33 Hz 的活塞式电磁换能器在日本海域完成了海洋声层析实验^[13]，在此基础上，俄罗斯于 2013 年研制了频率更低、声功率更高的 20 Hz 电磁换能器，该换能器直径为 2.64 m，厚 1.52 m，重 4 500 kg，水下谐振频率低至 20 Hz，声源级达 200 dB，装备实物如图5 所示^[14]。

膜结构电磁换能器最早于 1983 年由俄罗斯学者提出，采用金属膜结构作为辐射面，依靠膜结构自身刚度提供回复力，通过电磁力激发膜振动，从而向外辐射声波。其谐振频率、工作频带和辐射声功率由金属膜的尺寸和刚度决定，根据不同的应用场景可以合理进行膜结构材料选型和尺寸设计，满足不同工作频率的需求。此外，膜结构相比于活塞式结构具有更高的可靠性，避免了密封橡胶在长时间的工作过程中的结构失效问题。俄罗斯学者在海洋声层析实验中运用了一系列的膜结构电磁换能器，最典型的是俄罗斯科学院 BOGOLUBOV 等人研制的系列化膜结构电磁换能器，其结构如图6 所示，其中工作频带为 50~100 Hz 的换能器，最大声源级 195 dB^[14-16]。

基于海洋层析实验的需要，设计做了进一步改进，金属膜选用相对便宜的钢材，而在金属膜外表面安装平板弹簧来增加换能器的系统刚度^[17]。1998 年，基于增加系统刚度想法而设计并制造了图7 中的膜结构电磁换能器，换能器在水深 10 m 处测试结果是：带宽 25 Hz，谐振频率 246 Hz 处声源级为 197 dB。换能器整体直径为 468 mm，高度为 98 mm，重 44 kg。

为有效增加带宽，上下锥形金属膜之间使用弹性密封物相连。该电磁换能器谐振频率为 46 Hz，带宽为 50 Hz，整体直径为 376 mm，高度为 90 mm，质量为 36 kg。如图8 所示，当配置上压力补偿系统后，换能器可在 180 m 水深处工作。

2016 年俄罗斯科学院应用物理研究所提出了利用机械处理的弹性元件调整谐振频率的方法，并研制出了谐振频率为 80 Hz，发射声功率为 500 W 的大功率超低频电磁换能器，图9 为换能器结构图，换能器高 0.5 m，直径为 1.4 m。

俄罗斯研制的一系列电磁换能器参数如表3 所示。

1.3 美国 MASSA 公司研制的大功率超低频电磁换能器

美国 MASSA 公司自 1950 年起，为满足科研对超远程声呐系统的需求，逐渐开发了一系列大功率超低频换能器^[23]。在 1950–1960 年间，MASSA 公司为海军研究办公室设计制造了世界上最大的换能器阵列 Artemis，如图10 所示，该阵列重约 136 T，面积为 139.3 m²，由 1 400 多个电磁换能器组成，整个阵列用以替代大功率运行时出现故障的磁致伸缩换能器阵列。Artemis 工作频率为 450 Hz，工作频段为 400~500 Hz，最大发射功率为 1 MW （240 dB），电声效率达 60%^[24]。

20 世纪 70 年代，为满足不同水深的声呐阵列需求，MASSA 公司设计了型号为 TR-44 的电磁换能器，该换能器为偶极子声源，能够满足全水深工作需求，其可以工作在 200~1 000 Hz 中的任意频率^[24-27]，如图11（a）所示，换能器整体呈圆柱结构和球形结构，内部磁路结构与外壳仅通过中间隔板连接，磁路结构与外壳结构的独立使得外壳在静水压下产生的形变不会改变气隙大小进而可工作在全水深。上述换能器结构坚固，但换能器磁路结构要求极高的对称性，制作工艺复杂，且由于磁路中永磁体的存在，使得换能器气隙存在静态偏移。对此，文献^[24]提出了一种推挽结构电磁换能器，推挽式磁路结构消除了永磁体带来的静态偏移，提高了活塞在高功率下的位移线性度，效率提高至 50%；该换能器的工作频带为 500~2 500 Hz，每平方米的辐射面具有 37.75 kW 的声功率输出，但是换能器的工作受水深影响。

20 世纪 80 年代，MASSA 公司在 TR-44 换能器的基础上，提出了新的改进结构，并设计了 TR-1411 换能器，如图11（b）所示。这种结构通过减小前后质量块质量比、在后质量块与外壳之间橡胶垫解耦，减小了后端振幅，进而减弱了后端声辐射，从而更加有利于组成不同类型的阵列。此外，换能器的辐射面结构采用蜂窝结构，这使得辐射部分的重量小、强度大，提高了刚度–质量比，实现了宽频带，换能器的工作频段为 200~1 000 Hz。同时，蜂窝结构可以应对更高的静水压^[28]。

1.4 电磁换能器国内研究现状

国内哈尔滨工程大学研制的活塞式电磁换能器如图12 所示。图12（a）中单面活塞式电磁换能器高度 280 mm，最大直径为 320 mm，空气中的质量为 45 kg^[29]。该换能器的海上测试系统如图13 所示，测试海域开阔，最大水深 22 m，换能器入水深度为 3 m，测得换能器水下谐振频率为 72 Hz，最大声源级 186 dB^[29]。在此基础上，哈尔滨工程大学设计制作了双面活塞式电磁换能器试验样机，如图12（b）所示，最大直径为 576 mm，高 178 mm，空气中重 75 kg。在哈尔滨工程大学水声技术重点实验室消声水池中进行换能器水中电声性能测试，水池尺寸长 25 m、宽 15 m、深 10 m，6 面布放吸声尖劈，待测换能器与水听器布放在水面下 3 m，水听器距离待测换能器声中心 1 m，测得换能器水中谐振频率为 51 Hz，最大声源级 189.3 dB^[30]。湖南大学研制的活塞式电磁换能器，如图12（c）所示。水中谐振频率为 74 Hz，最大声源级 185.5 dB^[31]，测量时将换能器置于水下 10 m，水听器与换能器通过浮杆保持水平间距为 2.5 m，如图14 所示。同时，湖南大学也开展了对膜结构电磁换能器的研究，研制出了水中谐振频率 170 Hz、最大声源级 190 dB 的双面膜结构电磁换能器^[32]，如图12（d）所示。

2 电磁换能器关键技术分析

2.1 电–磁–机–声多场耦合建模技术

多场耦合建模技术是准确描述换能器的电–磁– 机–声能量转换机理与内部磁场分布规律及输出特性预测的重要基础，文献^[33]通过对等效磁路和机电能量转换原理的研究，建立了电磁换能器的等效磁路模型、机械振动动力学模型和动态特性微分方程组。采用 MATLAB/Simulink 仿真模块建立了电磁换能器电压、磁链、反电动势、电磁力和机械运动仿真模块构成的换能器动态特性仿真模型。运用仿真模型分析了电磁换能器磁路参数、驱动电压与电磁力的关系，研究了电磁换能器在不同频率下的振动动态特性。然后，利用有限元分析软件 Ansoft 对电磁换能器性能进行了仿真。在仿真中引入了材料非线性和驱动匹配的概念，精确地优化了换能器的磁路特性、动态特性。文献^[34]基于数学类比的等效电路转换成功完成了多物理场的解耦分析，分别建立了考虑漏磁及边缘效应的等效磁路模型、考虑声场对辐射面反作用的单自由度振动模型。然而，电磁换能器输出性能受制于非线性电–磁–机– 热–声场动态耦合影响，使得多场耦合关系复杂、建模难度大，且现有模型较多是以等效电路和有限元联合仿真的形式实现电–磁–机–声多物理场仿真，仿真理想假设较多，导致仿真精度较低。因此，研究大功率超低频电磁换能器非线性多场动态耦合模型建模方法，更为全面地描述大功率超低频电磁换能器动态过程是尚未解决的挑战之一。

2.2 高效电声能量转换技术

电磁换能器能量转换过程涉及复杂的电–磁– 机–声多场耦合，高效电–磁–机–声能量转换技术能保证换能器装备的良好适装性，便于快速形成战力。文献^[34]对背腔声辐射低损耗和高效电磁驱动 2 个方面开展了理论研究，并研制出永磁偏置电磁换能器样机，相比较传统电磁换能器在小功率下具有更高驱动力电流比和更高电机效率的优势。文献 ^[33]在传统单面活塞式电磁换能器基础上改进提出了双活塞面辐射结构电磁换能器，有效提升了换能器的输出声功率。

然而目前的研究更多侧重于换能器单一层面性能和机械结构优化，忽略了考虑电磁结构、散热结构和机械结构耦合的全局协同优化，难以实现电声换能器高效换能和综合性能接近最优。因此，迫切需要突破多物理场、多参数、多边界条件下电声换能器高效电声换能理论与方法，解决可电磁换能器多场耦合协同优化问题，从而实现换能器高效电声能量转换。

2.3 宽带高效声发射技术

换能器的带宽影响传输声信号的频谱和信号的波形，决定信号的传输速率、通讯的可靠性和保密性、回波的信息量等。例如：通过弹性密封物取代传统的螺栓链接结构，增大辐射面积，增加了换能器的输出带宽；利用多模态耦合原理，设计锥形壳体结构，拓宽了电磁换能器的工作频带。文献^[35]通过分布式激励有效抑制换能器的辐射面弯曲模态，实现了宽频带输出。然而，上述研究均是通过改变机械壳体结构，实现多模态耦合，从而拓宽频带。换能器宽带声发射的同时势必会带来动态宽频匹配问题，如何设计高性能宽带阻抗匹配网络获得大的输出功率和高的能量转换效率，解决宽带高效声发射技术难题是拓展电磁换能器应用领域的关键之一。

2.4 大水深高可靠性装备研发技术

深海空间是目前海上军事竞争的新的制高点，我国的海洋战略目标之一就是走向深蓝，深海水声装备发展对电磁换能器提出了新的要求。大水深条件下的高静水压力带来的换能器结构失效、深海大功率运行换能器内部温升过高导致的电声能量转换效率低、大水深带来的换能器状态监测困难等问题制约了换能器的装备可靠运行。较多学者^{[9，16，36]}针对电磁换能器的大水深压力补偿技术展开了研究，并且得到了很好的应用。然而，针对于大水深条件下电磁换能器的状态监测及可靠热管控技术研究还相对较少，因此，亟待解决电磁换能器的大水深高可靠装备研发技术。

3 趋势与展望

3.1 技术发展趋势

电–磁–机–声多场耦合建模技术方面，未来将继续朝着全耦合、多参数、非线性等方向发展，建立电磁换能器与驱动系统的综合模型。

在高效电–磁–机–声能量转换技术方面，未来将仍从能量转换损耗机理及损耗抑制研究、磁路结构优化及电–磁转换效率提升、机械结构优化及机– 声转换效率提升等方面展开。

在大功率超低频宽频声发射技术方面，未来将继续从新结构、新工艺方面实现换能器的宽带发射特性。

在大水深高可靠性装备研发技术方面，未来将提升换能器高效热管控能力、大水深高精度换能器状态检测技术，以满足换能器深海长时间大功率稳定工作需求。

3.2 应用展望

电磁换能器结构简单，单位面积输出大，功率密度高，在海洋工程方面具有广阔的应用前景。其主要应用场景分析如图15 所示。

1）在对潜通信方面，电磁换能器所发射的超低频声波具有传输距离远、可传递信息量大的优势，非常适合作为与潜艇进行信息交换的载体。

2）在反水雷作战方面，电磁换能器具有体积重量小、易于实现超低频大功率发射的优势，可以适应无人装备搭载发射超低频声波来模拟舰船的 “声纹”特征^[37]。

3）主动探测方面，当前的主动探测声呐装备正在向超低频化发展，尤其是利用 100~200 Hz 频段的水声信号进行主动探测优势明显：① 超低频声波传播衰减慢，有利于提高主动探测的作用距离；② 超低频水声信号的环境适应性好，利用超低频水声信号进行主动探测能够更好地适应复杂的水声环境，有利于覆盖影区，实现无缝探测； ③ 安静型潜艇主要的消声手段——消声瓦，对超低频频段作用十分有限。因此，电磁换能器在超低频主动探测方面具有广阔的应用前景。

4 结束语

随着电声换能技术应用领域的不断拓展与延伸，在海洋资源探测开发的技术竞争、军事对抗及全面感知地球的迫切需求背景下，大功率超低频电声换能器装备研制成为水下探测技术发展的重要前提。目前，我国在大功率超低频电换能器的研制技术和性能提升上取得了一定的研究进展，但在理论基础完整性、产品系列化、工艺技术成熟度等方面与欧美发达国家存在较大的差距。为了适应新时期对大功率超低频声呐系统的需求，我国应充分借鉴国外发展经验，加快开展对低成本、高功率密度、高可靠的电磁换能器的关键技术研究及装备研制，满足我国海洋研究和国防军事的战略需求。

参考文献