气动式声发生器电气系统动态特性分析

    1 问题的提出

    气动式声发生器具有能够产生高强度的语音和次声,声功率大,语音传输距离远大于电动式扬声器等特点,在航空、航天、航海、非致命性杀伤声武器和远距离广播等诸多领域有非常重要的用途[1-3]。气动式声发生器是利用压缩空气作能源,用一种外加电信号(语音或其他频率信号)来控制高压空气流过的喷口开度,通过调制气流速度达到实现发声,再通过喇叭向空间辐射声波的装置,如图1所示。

    研究气动式声发生器电气系统的动态特性,对研制高气声效率的声发生器具有重要意义。本文主要研究在声压信号反馈情况下,考虑电系统和气系统(力系统)耦合特性的声发生器动态特性数学模型,并通过仿真计算,分析其影响动态响应特性的因素,为工程设计提供理论指导。

    2 数学模型

    2.1 等效电路的电流方程

    气动式声发生器是将音频信号扩大并实现远距离传输的装置,音频信号是音环(活动组件)振动位移的调制信号,它经过功放电路放大后送给音环上线圈,在电磁力的作用下线圈运动带动音环振动实现高压气流调制并发出所需的声波。在研究声发生器电气系统动态特性时,将音环输入端集总为功率强放电路的输出。由于负载电系统阻尼比较小,可不考虑阻尼的影响。气动式声发生器电系统等效类比线路[4-5]如图2所示。图中E为回路上的总电势。

    功放电路输出电流方程为

iout(t) = kiiin(t) (1)

    式中:iout(t)为功率强放电路输出的电流;iin为功率强放电路输入的音频信号电流;ki为功率放大器的放大系数。

    回路上总电流

    式中:iRL(t)为回路上总电流;C为振动系统的弹性元件力顺;m为音环的质量;id(t)为通过电感的电流;ic(t)为通过等效电容的电流。

    根据图2,利用电流霍尔定律导出通过等效电感的电流为

   式中:X为激励单频音频信号电流频率。

    设输入的音频信号为单一频率信号,则有

    式中:X1为单频音频信号电流频率;A1为单频音频信号电流的幅值。

    2.2 音环受力平衡方程

    设声发生器工作时,音环轴线平行于水平面,故影响音环振动位移的主要因素有作用在音环上的电磁力、弹性元件的反作用力、惯性力、瞬态液动力等。音环沿水平轴线运动时位移矢量与质量力矢量垂直,则质量力可以不考虑。因气体喷口为环形,则流体静压力、绕流作用力、稳态流作用力将被抵消。因此,音环受力平衡方程为

    式中:x为音环位移;B为磁场强度;l为音环线圈导线长度;P3为喇叭入口处气流压强;Cr为阻尼系数,且