近年来,随着海底资源勘探、海洋环境监测和远程水下目标探测与通信等技术的快速发展,大功率超低频声源成为海洋工程与研究的关键装备。相比于压电式和磁致伸缩式电声换能器,电磁式电声换能器的输出力大、输出位移可达到毫米级,在低成本和小体积的条件下可实现大功率声辐射输出,尤其在超低频段（10-400 Hz）具有显著的优势。1994年起,美国,俄罗斯和日本等国家就采用电磁式换能器进行海洋气候观测实验,开展了海洋气候声学测温项目（Acoustic Thermography of Ocean Climate）和全球海洋观测网络项目（Global Ocean Observing System）,并建立了低频声波发射与接收网络,而我国关于电磁式换能器的研究还较少,处于刚刚起步的阶段。电磁式换能器设计涉及电-磁-机-声多物理场耦合,需考虑漏磁、磁饱和、输出非线性和不稳定等问题,这使得其建模过程非常复杂,目前缺乏系统、完善的建模手段。现有电磁式换能器的研究往往忽略了磁路中漏磁和磁饱和的影响,给设计分析带来较大误差。此外,电磁式换能器由于驱动机制,机械弹簧和磁饱和等非线性的影响,工作中会出现输出谐波和不稳定的问题,这些都对电磁式换能器的工作性能产生了较大的影响。论文主要研究内容如下:1.针对现有大功率超低频电磁式换能器的电磁力计算不准确问题,本文基于电磁式换能器的等效磁路模型,提出了两种考虑漏磁的电磁力计算方法,提高了电磁力的计算准确度。第一种方法采用分割磁场法将气隙中的漏磁通分割成若干个有简单几何形状的磁通管来计算气隙的漏磁阻,再将漏磁阻带入等效磁路计算磁通和电磁力等参数;第二种方法借助有限元仿真计算衔铁运动到不同位置处气隙的漏磁系数,通过拟合得到更为精确的气隙磁阻和漏磁阻,以降低漏磁对建模准确性的影响,然后根据麦克斯韦力公式和电磁式换能器磁路模型得到换能器全振动行程的电磁力模型。2.针对目前水声领域电磁式换能器对非线性因素考虑较少的现状,本文采用电动力学中的分析方法对电磁式换能器的位移输出谐波和稳定性问题进行了研究。首先用解析法计算了电磁式换能器的输出谐波成分,在此基础上,提供了一种简单快捷求解谐波含量的方法,最后对电磁式换能器进行了稳定性分析,明确其振动位移稳定区间。3.针对目前大功率超低频电磁式换能器缺少准确的建模方法,本文建立了电磁式换能器的解析模型和数值模型（有限元仿真模型）,并提出一套系统的设计流程。首先基于等效磁路和运动方程构建电磁式换能器的电动力学方程组,搭建Matlab Simulink仿真模块进行初步的设计。然后,将电磁式换能器的机械特性和声学特性作为载荷引入电磁分析中,建立多物理场耦合的动态有限元仿真模型,进一步优化设计参数。通过解析模型和数值模型相互印证,构成一套系统的电磁式换能器建模方法。4.本文介绍了大功率超低频电磁式换能器样机的制作过程,并对其进行室内振动特性测试和水下声学特性测试,测量了其谐振频率、振动位移、声源级和输出谐波含量等参数,并针对湖试中电流信号畸变的现象展开了进一步的分析,重点分析了静水压引起的电感参数变化对电流信号产生的影响。基于所提的研究理论和设计方法,成功制作了一台大功率超低频电磁式换能器样机并对其进行水下性能测试,测试结果表明考虑漏磁电磁力模型解析值与实验值吻合较好;输出位移总谐波含量小于1%;电磁式换能器稳定性较好,验证了本文所提方法的正确性。本文所研制的电磁式换能器样机在水深10 m,驱动电流5.6 A条件下,74 Hz时声源级可达185.5 d B。