直九直升機(jī)機(jī)內(nèi)通話噪音問題分析*

李繼國，王寶林

(中航工業(yè)哈飛飛機(jī)設(shè)計(jì)研究所， 黑龍江 哈爾濱 150066)

直九直升機(jī)機(jī)內(nèi)通話噪音問題分析*

李繼國，王寶林

(中航工業(yè)哈飛飛機(jī)設(shè)計(jì)研究所， 黑龍江 哈爾濱 150066)

直九直升機(jī)存在交流用電設(shè)備干擾機(jī)內(nèi)通話問題，現(xiàn)象為在耳機(jī)中可以聽到交流噪聲。為了解決該問題，文中對(duì)機(jī)內(nèi)通話器的電源電路和音頻電路進(jìn)行了分析，計(jì)算了共阻耦合、電容耦合、電感耦合分量，根據(jù)計(jì)算分析結(jié)果確定用隔離和減小共地電阻的方法來解決該問題。實(shí)施結(jié)果表明該方法可以有效解決交流電干擾機(jī)通問題。文中指出對(duì)于機(jī)通等低頻小信號(hào)模擬設(shè)備電路，共阻耦合和電感耦合是主要的干擾路徑，在設(shè)計(jì)中應(yīng)采取隔離和減小共阻等措施來減小干擾。

電磁兼容；電阻耦合； 電容耦合； 電感耦合

引 言

在直升機(jī)電磁兼容設(shè)計(jì)中，主要關(guān)注兩方面的問題：高頻輻射干擾和低頻傳導(dǎo)干擾。交流干擾機(jī)通引起噪聲問題是低頻傳導(dǎo)干擾中比較典型的問題，也是各型直升機(jī)和飛機(jī)設(shè)計(jì)中比較關(guān)注的問題[1]。本文通過分析、測(cè)試和解決直九直升機(jī)中存在的交流用電設(shè)備干擾機(jī)內(nèi)通話器問題，總結(jié)出機(jī)通裝機(jī)設(shè)計(jì)中應(yīng)注意的事項(xiàng)和有效的電磁兼容防護(hù)設(shè)計(jì)方法。

1 直九直升機(jī)交流干擾機(jī)通問題分析

1.1 問題現(xiàn)象

在直九直升機(jī)中存在交流干擾機(jī)通問題，現(xiàn)象為在交流用電負(fù)載工作情況下，在機(jī)通耳機(jī)中有交流噪音或較強(qiáng)的背景噪音。

1.2 原理分析

機(jī)內(nèi)通話器是音頻轉(zhuǎn)換設(shè)備，其功能是將語音信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為語音信號(hào)，響應(yīng)頻率為300～5 000 Hz。機(jī)載交流電的工作頻率為400 Hz，在機(jī)內(nèi)通話器的響應(yīng)頻率范圍內(nèi)。機(jī)內(nèi)通話器和交流用電設(shè)備在直升機(jī)中布置和導(dǎo)線敷設(shè)過程中會(huì)產(chǎn)生共阻耦合干擾、導(dǎo)線間的電感耦合干擾和電容耦合干擾。

1.2.1 共阻耦合原理分析[2]

共阻耦合的原理如圖1所示。 當(dāng)干擾電路的電流I1流經(jīng)公共阻抗R2時(shí)，在敏感電路中形成一個(gè)電壓V3，V3=I1R2。引起這種耦合的公共阻抗可以是包括結(jié)構(gòu)件在內(nèi)的任何電路元件，典型的包括公共地回路阻抗和公共電源阻抗。

圖1 共阻耦合原理圖

1.2.2 電感耦合原理分析[2-7]

信號(hào)線的近場(chǎng)電感耦合如圖2所示。流經(jīng)長導(dǎo)線的交變電流在矩形回路產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為

V2=MdI1/dt

(1)

式中：V2為感應(yīng)回路感應(yīng)電壓；t為時(shí)間；M為兩電路互感。

(2)

式中：μ0為自由空間磁導(dǎo)率，μ0=4π×10-7；l為矩形回路的長度；a、b分別為長導(dǎo)線距矩形回路的近邊和遠(yuǎn)邊距離。

圖2 信號(hào)線的電感耦合器

1.2.3 電容耦合原理分析[3-4]

由于兩電路間存在分布電容，也存在電容耦合，因此感應(yīng)回路感應(yīng)電壓為

(3)

式中，XC為兩電路互容抗，XC=1/jωC，ω為角頻率，C為電容。當(dāng)沒有接地板時(shí)，

(4)

式中：l12為兩回路一起走線的長度；r1為一回路導(dǎo)線半徑；r2為二回路導(dǎo)線半徑；ε0為自由空間的導(dǎo)電率；d12為耦合電路間的距離。電容耦合如圖3所示。

圖3 信號(hào)線的電容耦合圖

1.3 直九直升機(jī)交流干擾機(jī)通路徑分析

1.3.1 共阻耦合干擾分析

在直九直升機(jī)中機(jī)內(nèi)通話系統(tǒng)與交流用電設(shè)備沒有直接的交聯(lián)關(guān)系，而機(jī)通的電源電路和各電臺(tái)等音頻輸入通道電路與交流電源電路之間存在共地電路，其電纜敷設(shè)如圖4所示。在機(jī)通的電源電路采取了濾波措施，其濾波電路如圖5所示。該濾波電路具有一定的濾除400 Hz 交流干擾的作用，可以濾除機(jī)殼接地點(diǎn)到電源匯流條之間引入的工阻干擾。

圖4 機(jī)通與交流共地敷設(shè)示意圖

圖5 電源濾波電路圖

1.3.2 電感耦合干擾分析[8-9]

(1)耳機(jī)話筒與控制盒間的電路

直九直升機(jī)上采用的是動(dòng)圈式話筒，將語音信號(hào)轉(zhuǎn)換成870 μV的電信號(hào)，通過雙絞屏蔽線平衡輸出給控制盒。該段線路與其它線路不存在共地、共阻、共電源問題。該線路采用的是雙絞屏蔽線路，其連線原理如圖6所示。

圖6 機(jī)通耳機(jī)連接示意圖

從圖2和式(1)可以看出，2根導(dǎo)線距離干擾線的距離b和a近似相等，而400 Hz交流用電設(shè)備的電流變化比較平穩(wěn)，綜合以上因素計(jì)算可得電感耦合應(yīng)在微伏以下量級(jí)，可以忽略。

直九直升機(jī)上控制盒到耳機(jī)的導(dǎo)線也是雙絞屏蔽線，采用平衡輸出的方式，與耳機(jī)線一樣具有很強(qiáng)的抗干擾性能，也不應(yīng)存在電感耦合問題。

(2)控制盒與接線盒間的電路

控制盒與接線盒間的電路包括控制盒輸出線和接線盒輸出線2部分。控制盒輸出線包括機(jī)內(nèi)通話輸出信號(hào)電路和發(fā)話輸出信號(hào)電路，輸出的信號(hào)為由話筒信號(hào)放大生成的0.5 V左右的音頻信號(hào)。

控制盒與接線盒間的電路采用單芯屏蔽線，其回路地線是控制盒到接線盒的電源地線，在接線盒端通過機(jī)殼地與機(jī)體相連，控制盒與接線盒間連線如圖7所示。

圖7 控制盒與接線盒間連線示意圖

在直九系列機(jī)中，很多設(shè)備(如磁羅盤系統(tǒng)，航姿系統(tǒng)及自動(dòng)駕駛儀)使用26 V、400 Hz的交流電，并且這些設(shè)備的交流電采用單芯導(dǎo)線，其地線采用混合地、機(jī)殼地等方式。該段機(jī)通線路與交流線間可能存在近場(chǎng)耦合問題，其耦合原理圖如圖8所示。

圖8 耦合原理圖

單位長度的互感為

(5)

式中：d為交流線路A導(dǎo)線至機(jī)通線路A導(dǎo)線的距離；d1為交流線路B導(dǎo)線至機(jī)通線路B導(dǎo)線的距離；f為交流線路A導(dǎo)線至機(jī)通線路B導(dǎo)線的距離；f1為交流線路B導(dǎo)線至機(jī)通線路A導(dǎo)線的距離。

從式(5)可以看出，如果ff1相對(duì)于dd1非常大，將產(chǎn)生很大的互感，根據(jù)式(1)，將在機(jī)通回路中產(chǎn)生很大的感應(yīng)電壓。發(fā)射時(shí)，該電壓經(jīng)電臺(tái)放大，通過機(jī)通接線盒接收匹配，送給控制盒再到耳機(jī)，產(chǎn)生噪音；在機(jī)內(nèi)通話時(shí)，該電壓經(jīng)機(jī)通接線盒的混合放大器放大，送給控制盒再到耳機(jī)，產(chǎn)生噪音。由于是穿過閉合線路電磁場(chǎng)引起的感應(yīng)電壓，因此對(duì)單芯的屏蔽幾乎不起作用。

接線盒的輸出線包括各信道音頻輸出、呼叫音頻輸出和機(jī)內(nèi)通話音頻輸出，輸出的信號(hào)為7 V左右的音頻信號(hào)，其地線為接線盒和控制盒之間的電源地線。其干擾原理如圖7和式(5)所示，同樣會(huì)在音頻信號(hào)上疊加干擾噪音。

(3)接線盒與各用戶設(shè)備間的電路

接線盒與各用戶設(shè)備間的電路包括接線盒到各電臺(tái)的音頻輸出線和各電臺(tái)及導(dǎo)航設(shè)備到接線盒的音頻輸出線。接線盒到各電臺(tái)的音頻輸出線采用平衡輸出模式，如果各電臺(tái)在收發(fā)機(jī)內(nèi)部做非平衡處理，外部連線采用雙絞屏蔽線，其抗干擾能力也會(huì)很強(qiáng)，現(xiàn)在比較新的電臺(tái)均采用該設(shè)計(jì)方法；各電臺(tái)及導(dǎo)航設(shè)備到接線盒的音頻輸出線也多采用平衡輸出模式，回線在接線盒端接公共音頻地后接機(jī)殼地，抗干擾能力較強(qiáng)。

(4)電源電路

機(jī)通接線盒的電源電路采取了濾波措施，其濾波電路如圖5所示。該濾波電路具有一定的濾除400 Hz 交流干擾的作用。

接線盒輸出到機(jī)通控制盒的電源線路采用普通單芯線，會(huì)引入電感耦合，其干擾模式如圖8所示。

1.3.3 電容耦合干擾分析

直九直升機(jī)機(jī)內(nèi)通話器的音頻線路的輸出電阻在600 Ω左右，音頻響應(yīng)頻率為300～5 000 Hz，按d12為r1(r2)的2倍計(jì)算，根據(jù)式(3)，可以簡化為

(6)

式中:l12為干擾線與音頻線中非屏蔽部分共同走線的長度，機(jī)通的音頻線均采用了屏蔽線，大大減小了l12，從而使互電容很小，電容耦合可以忽略。

2 干擾測(cè)量

為了解決交流干擾機(jī)通問題，對(duì)系統(tǒng)噪音、音頻通道1的音頻噪音進(jìn)行了測(cè)量，測(cè)量結(jié)果見表1。

表1 音頻通道1噪音測(cè)量表

測(cè)量結(jié)果表明：在該測(cè)試狀態(tài)下，機(jī)通對(duì)標(biāo)準(zhǔn)音頻放大2倍，交流噪音中2/3來自通道1的音頻輸入，包括共阻耦合干擾和電感耦合干擾，另1/3來自機(jī)通內(nèi)部線路感應(yīng)的噪音，包括交流電對(duì)機(jī)通內(nèi)部線路的電感耦合和電容耦合。

調(diào)節(jié)各通道的標(biāo)準(zhǔn)音頻輸出，使其相同，測(cè)量并對(duì)比各音頻通道的噪音，測(cè)量結(jié)果見表2。

表2 各通道噪音測(cè)量表

測(cè)量結(jié)果表明：在該測(cè)試狀態(tài)下，各通道的噪音音頻輸入有一定的差別，這是由各音頻輸入通道與交流電源電纜間距離差別導(dǎo)致的電感耦合差別引起的。差別較小表明電感耦合干擾量較小，而共阻耦合干擾量較大。

3 解決方法及結(jié)果測(cè)量

3.1 減小共阻耦合法

干擾測(cè)量結(jié)果表明共阻干擾所占比重較大，因而首先減小共阻干擾，其實(shí)施的原理如圖9所示。改進(jìn)后機(jī)通的音頻回路與交流回路之間不存在共地關(guān)系，另外還減小了機(jī)通電源與交流電源之間的共阻。通過測(cè)量耳機(jī)中噪音的方法進(jìn)行驗(yàn)證，測(cè)量的噪音電平為15 mV。

圖9 減小共阻耦合示意圖

3.2 減小電感耦合法

單獨(dú)敷設(shè)機(jī)通導(dǎo)線可以減小機(jī)通導(dǎo)線間的距離，并實(shí)現(xiàn)與交流線的距離隔離，即增大圖2中的a，減小b，增大圖8中的d和d1，減小f和f1，根據(jù)式(1)及互感計(jì)算，可以減小干擾。通過測(cè)量耳機(jī)中噪音的方法進(jìn)行驗(yàn)證，測(cè)量的噪音電平為11 mV，耳機(jī)中的噪音基本消除。

4 結(jié)束語

本文通過對(duì)直九直升機(jī)交流用電設(shè)備干擾機(jī)內(nèi)通話器問題的研究，得出了低頻干擾的主要耦合路徑為共阻耦合和電感耦合的結(jié)論，確定了通過減小共阻和減小敏感線路的回路面積并增大與干擾電路距離隔離的方法解決低頻干擾的基本思路，在直九直升機(jī)上實(shí)施解決了交流用電設(shè)備干擾機(jī)內(nèi)通話器問題，測(cè)量結(jié)果也準(zhǔn)確地反映了各方法的有效性。

在直升機(jī)或飛機(jī)的設(shè)計(jì)中，線路共地和近距離敷設(shè)是共性問題，并不能被徹底消除。在線路設(shè)計(jì)中需要對(duì)線路進(jìn)行詳細(xì)分析，確定耦合對(duì)進(jìn)行針對(duì)性的設(shè)計(jì)來減小電磁干擾問題。

在電磁兼容設(shè)計(jì)和研究中，總是關(guān)注設(shè)備本身的電磁兼容性能，要求所有設(shè)備的電磁兼容性能都滿足GJB151A的要求。這對(duì)于很多機(jī)載設(shè)備并不現(xiàn)實(shí)，如機(jī)通等小信號(hào)設(shè)備是很難滿足敏感度的要求的，而在載機(jī)電磁兼容設(shè)計(jì)中總是通過屏蔽手段來解決問題，實(shí)際上在較低頻段，屏蔽對(duì)電磁干擾并不能起到很好的抑制作用。本文通過對(duì)直九直升機(jī)交流用電設(shè)備干擾機(jī)內(nèi)通話器問題的研究突出了減小共阻和導(dǎo)線隔離的重要性，這對(duì)于復(fù)合材料應(yīng)用越來越多的直升機(jī)或飛機(jī)的電磁兼容設(shè)計(jì)具有很重要的指導(dǎo)作用。

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李繼國(1971-)，男，高級(jí)工程師，主要從事航空無線電系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作。

王寶林(1981-)，男，工程師，主要從事航空無線電系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作。

Analysis of Intercommunication System Noise in Z-9 Helicopters

LI Ji-guo，WANG Bao-lin

(AircraftR&DInstituteofAVICHAIG,Harbin150066,China)

The AC noise in the intercommunication system is a problem of the Z-9 helicopters, with the phenomenon of boring noise in the headphone. In order to solve the problem, the wires of the power and the voice in the intercommunication system are analyzed, and the quantity of resistor coupling, capacitive coupling and inductive coupling are calculated. The methods of isolation and reducing the sharing resistance are used to solve the problem. The result shows that the methods can solve the problem effectively. It is pointed out that the major interferential path of lower frequency circuit is the resistor coupling and the inductive coupling and that electromagnetic interference should be reduced by isolation wires and decreasing the sharing resistance in the design.

electromagnetic compatibility；resistor coupling；capacitive coupling；inductive coupling

2012-12-10

TN911.4

A

1008-5300(2013)03-0013-04