从紧凑的机械结构中产生大功率、宽带、低频声音仍然是振动和声学领域的一个难题 [[1], [2], [3], [4]]。在流体介质中的长距离传输需要低频下的强声学辐射 [5,6]。在这些条件下，响应不仅受到非线性流体 - 结构相互作用 [[7], [8], [9], [10]] 的影响，还受到高静水压下结构行为 [11,12] 以及高功率驱动的智能材料系统动力学 [[13], [14], [15], [16]] 的影响。同时，实际发射器受到尺寸的强烈约束 [17,18]，因此实现高声源级（SL）和宽带声学辐射并不简单 [19,20]。四类伸缩式换能器（FT）是解决此问题的常用方案 [21,22]。其柔性壳体将驱动堆栈相对较小的行程转换为较大的弯曲运动 [[23], [24], [25]]。这种变形改善了与周围流体的声阻抗匹配 [26,27]，并使得紧凑结构能够实现低频辐射 [28,29]。大多数报告的 FT 设计使用压电陶瓷作为驱动元件 [[30], [31], [32]]。然而，其能量密度可能会限制高驱动条件下的功率处理能力 [[33], [34], [35]]。巨磁致伸缩材料（GMMs）提供了另一种可能性。由于其较高的能量密度 [36]、大磁致伸缩 [37,38] 和快速响应 [39,40]，它们对于紧凑型大功率振动致动器 [[41], [42], [43], [44]] 具有吸引力。尽管 GMMs 提供了增强的致动能力 [[45], [46], [47], [48]]，但传统四类 FTs 的实际带宽仍然有限。在第一和第二共振峰值之间出现一个深谷 [49,50]。这种行为与前两种模式之间的较大分离以及不同壳体区域中相反体积运动产生的声压抵消有关 [51]。
为了减少深响应谷，提出了许多壳体几何形状 [52,53]。一些研究侧重于双凸壳体 [54]，这是四类 FT 的修改版本。在一定程度上，它们可以抑制声学响应谷并扩展带宽 [55,56]，但它们通常增加了结构复杂性和组装要求，这使得制造困难并限制了结构耐久性 [[57], [58], [59]]。例如，已采用铙钹配置 [60]、Tonpilz 形设计 [61,62] 和凹面拓扑结构 [63,64]，通过模态耦合机制实现宽带发射。然而，增加的结构体积可能会降低声功率密度。同时，负曲率壳体已被用于减少声压抵消 [65]。最近，Zhao 等人开发了一种由多个弧段组成的波型磁致伸缩伸缩式换能器，并使用混合智能优化方法优化了其耐压性和声学性能 [66]。然而，曲率变化、类似铰链的变形、模态间距和辐射改善之间的机械联系仍然没有得到充分的澄清 [67,68]。大多数相关研究侧重于压电设备或在线性状态下运行的低功耗磁致伸缩原型 [[69], [70], [71], [72]]。对于高功率巨磁致伸缩换能器 [73,74]，情况有所不同。当复杂壳体与闭磁路 [75,76] 结合时，磁、机械和声场变得更加紧密地耦合 [77,78]。在这些条件下，均匀磁场的假设可能不能充分表示换能器响应 [79]。磁场的空间变化可能会降低均方根（RMS）频率响应预测的准确性 [80]。因此，需要一个分布磁场模型，以在耦合的电磁、机械和声学分析中保留轴向场变化，从而支持宽带换能器设计。
在此背景下，引入了一种具有负曲率段的花瓣状壳体。由此产生的铰链效应改变了壳体的等效质量和刚度矩阵，并减少了主要辐射区域上交变法向表面运动，从而减少声学抵消并平滑前两种模式之间的过渡。随后开发了一个二自由度（2-DOF）模型来解释宽带行为。在高功率水下宽带换能器（HUBT）中，带有叠层磁通导体的闭磁路通过改善场均匀性和减少损耗来支持高电流操作。为了考虑巨磁致伸缩杆（GMRs）中剩余的场非均匀性，建立了一个分布多物理场模型用于设计分析。该模型用于预测 RMS 频率响应，包括 SL 和发射电流响应（TCR），并优化壳体几何形状，以在峰值 SL 和带内平坦度之间取得平衡。随后进行湖泊实验，以识别与饱和相关的行为并确定高电流激励下的操作边界。本工作的独特贡献是一个定量的机械解释，将壳体曲率与等效质量和刚度矩阵、模态频率分离、法向表面运动抵消和宽带辐射联系起来。
本文的各节组织如下。在第 2 节中，首先使用匹配的常规四类模型来检查由相邻模式间响应谷引起的带宽限制。随后开发了一个 2-DOF 降阶模型来解释曲率 - 铰链机制及其对模态间距和声压抵消的影响。第 3 节介绍了多物理场换能框架，侧重于分布磁场建模及其与结构响应和声学响应的耦合，用于完整 GMR 驱动换能器的 RMS 频率响应分析。磁 - 机械和机械 - 声学模型的详细公式分别在附录 A 磁 - 机械耦合模型、附录 B 机械 - 声学动态模型中提供。在第 4 节中，展示了并讨论了原型制造和验证测试，包括阻抗、SL、波束图案和时域测量。第 5 节总结了主要发现。
