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磁控形状记忆合金换能器研究

摘要

为提高低频水声换能器辐射效率，实现性能更高、重量更轻和体积更小的水下换

能器和阵列，可采用具有高能量密度的新型功能材料作为换能器的驱动元件。磁控形

状记忆合金具有大应变、快速响应及高能量密度等优势。NiMnGa合金作为一种典型的

磁控形状记忆合金，其最大应变为6%，且具有较低的杨氏模量，可用作驱动材料实现

低频、小尺寸水下声源。然而，基于NiMnGa合金驱动的水声换能器在多物理场下理

论模型尚未建立，无法实现其声学性能的预测。另外，NiMnGa合金输出应力较低，其

性能受到相变温度和电磁涡流损耗的限制，如何发挥材料的性能优势是在设计换能器

时所面临的主要问题。因此，本论文将从以下几个方面展开研究。

首先，以磁控形状记忆效应的变形机理为切入点，根据NiMnGa合金在磁场作用

下的伸长和预应力作用下的收缩工作模式，提出了基于NiMnGa合金纵向式驱动的基

本结构。同时，类比于磁致伸缩材料，采用压磁耦合方程来描述NiMnGa合金在偏置

磁场下的磁-机械本构关系。通过对材料特性的探究与分析，揭示了NiMnGa合金在偏

置磁场下的力学和磁化特性。基于磁-应变特性曲线，建立了NiMnGa合金的压磁系数

函数模型，能够计算不同预应力和偏置磁场下的压磁耦合系数，为进一步构建

NiMnGa换能器的理论模型奠定了基础。

其次，基于NiMnGa合金纵向式驱动结构，提出了一种NiMnGa纵振式换能器。

以压磁方程为磁-机械本构关系，结合动力学方程，得到了换能器的等效电路模型，实

现了电磁-机械-声多物理场中的耦合。同时，分析了压缩弹簧及质量负载对换能器谐振

频率的影响。弹簧刚度与换能器谐振频率呈正相关，而质量负载相反。除此之外，基

于压磁方程，提出了一种电磁-机械-声多物理场的有限元仿真方法，实现了NiMnGa纵

振式换能器的水下声学性能仿真，并制作了换能器样机进行验证。仿真结果与测试结

果具有相同的谐振频率及变化趋势，证明了有限元仿真方法的可行性和有效性。

第三，为提高换能器工作效率及声学性能，使用磁路等效法和有限元分析对

NiMnGa纵振式换能器的驱动磁路及其相关特性进行优化设计，包括驱动磁路形式、磁

路几何形状、导磁材料的选取及偏置磁场影响等方面。基于磁路等效模型，得到了气

隙磁场与激励源之间的基本关系，并确定了驱动磁路的基本形式。在此基础上，通过

拓扑优化和形状优化，对驱动磁路结构进行优化，达到了减少导磁材料重量和体积的

目的，并得到最终的磁路结构设计方案。除此之外，利用有限元法计算了切缝电工纯

哈尔滨工程大学博士学位论文

铁和层叠硅钢磁路中的涡流损耗，结果表明硅钢磁路具有更低的涡流损耗，在不同频

率下其输入电流与驱动磁场具有良好的线性关系。同时，通过改变永磁体的剩余磁通

密度和几何尺寸可以实现对偏置磁场的调控。

最后，基于换能器驱动的优化结果，制作了由硅钢片堆叠而成的驱动磁路，有效

地抑制了交变磁场下的涡流效应，避免了驱动磁场随频率升高而衰减。测试结果显

示，不同工作频率下，气隙处激励磁场与输入电流近似呈线性关系。使用尺寸为

3×5×20mm3的NiMnGa合金为驱动材料，制作了换能器样机，并测试了弹簧刚度、预

应力及驱动磁场对换能器输出位移特性的影响。依据换能器在不同边界及激励条件下

的输出位移测试结果，结合换能器的等效电路模型，对NiMnGa合金的压力敏感特性

提出了合理解释，并总结了合金材料静态等效刚度的变化规律。测试结果表明，预应

力及弹簧刚度越大，NiMnGa合金具有更高的静态等效刚度，导致换能器谐振频率升

高。为保证NiMnGa换能器能够在低频时具有较大的输出位移，最佳预应力应控制在

0.5~1MPa，最大可实现1.75%的峰值应变。为测试换能器水下声学性能，使用水密外

壳对换能器进行封装，并在消声水池中测量了换能器在150~1100Hz内的发射电流响

应。换能器样机辐射面直径为20mm，水中谐振频率为880Hz，发射电流响应为

162.4dB，实现了以NiMnGa合金驱动的低频、小尺寸声源设计。同时，建立了换能器

有限元仿真模型，通过对材料参数的修正，得到了与测试数据较为吻合的计算结果，

进一步验证了换能器理论模型及有限元仿真方法的有效性。

关键词：水声换能器；