水下電場(chǎng)天線橫向振動(dòng)及其誘發(fā)電磁噪聲研究

朱四華,朱學(xué)山,林洪文,胡昊

(1.海軍航空工程學(xué)院電子信息工程系,山東煙臺(tái) 264001;2.中國(guó)人民解放軍91329部隊(duì),山東威海 264200)

水下電場(chǎng)天線橫向振動(dòng)及其誘發(fā)電磁噪聲研究

朱四華1,朱學(xué)山2,林洪文1,胡昊1

(1.海軍航空工程學(xué)院電子信息工程系,山東煙臺(tái) 264001;2.中國(guó)人民解放軍91329部隊(duì),山東威海 264200)

橫向振動(dòng)作為水下電場(chǎng)天線在海水隨機(jī)脈動(dòng)應(yīng)力作用下的主要振源,其誘發(fā)的電磁噪聲在長(zhǎng)波通信電磁噪聲中占主導(dǎo)作用,直接影響長(zhǎng)波通信深度和質(zhì)量。建立了天線的橫向振動(dòng)模型,導(dǎo)出了天線的隨機(jī)振動(dòng)響應(yīng),分析了橫向振動(dòng)誘發(fā)電磁噪聲的產(chǎn)生機(jī)理及特性,并給出了電磁噪聲的仿真結(jié)果及結(jié)果分析。研究結(jié)果表明:采用平板脈動(dòng)壓力下Bernoulli梁的隨機(jī)振動(dòng)模型計(jì)算振動(dòng)誘發(fā)電磁噪聲是可行且準(zhǔn)確的,可以根據(jù)橫向振動(dòng)誘發(fā)電磁噪聲分析結(jié)果優(yōu)化天線結(jié)構(gòu)以減小振動(dòng)感應(yīng)噪聲。

通信技術(shù);長(zhǎng)波通信;拖曳天線;橫向振動(dòng);電磁噪聲

0 引言

水下電場(chǎng)天線的接收性能由天線及艇體的本地噪聲決定,天線在海水隨機(jī)脈動(dòng)應(yīng)力作用下的橫向振動(dòng)、縱向振動(dòng)及扭轉(zhuǎn)振動(dòng),通過(guò)切割地磁場(chǎng)產(chǎn)生振動(dòng)感應(yīng)電磁噪聲,此類電磁噪聲直接關(guān)系著長(zhǎng)波通信深度和質(zhì)量[1-5]。橫向振動(dòng)作為主要振源,其誘發(fā)的電磁噪聲在天線本地噪聲中占主導(dǎo)作用。

Burrows[3-4]、劉海泉等[5]討論了水下拖曳電場(chǎng)天線的運(yùn)動(dòng)感應(yīng)噪聲,給出了流體脈動(dòng)壓力的隨機(jī)譜密度函數(shù),得到了橫向振動(dòng)運(yùn)動(dòng)感應(yīng)噪聲的實(shí)驗(yàn)與仿真結(jié)果。Burrows還對(duì)水下磁場(chǎng)天線的各種振動(dòng)機(jī)制進(jìn)行了分析,得到了運(yùn)動(dòng)感應(yīng)噪聲的定性分析[6];文獻(xiàn)[7-8]分析了磁場(chǎng)天線扭轉(zhuǎn)振動(dòng)誘發(fā)電磁噪聲的機(jī)理特性,并給出了仿真結(jié)果及分析。橫向振動(dòng)誘發(fā)電磁噪聲研究基本上基于文獻(xiàn)[4]的研究成果[9-12],沒(méi)有形成包含天線振動(dòng)模型、噪聲形成機(jī)理、噪聲量級(jí)大小和影響分析的系統(tǒng)性研究成果。

建立水下電場(chǎng)天線橫向振動(dòng)模型,導(dǎo)出天線隨機(jī)振動(dòng)響應(yīng),分析橫向振動(dòng)誘發(fā)電磁噪聲形成機(jī)理及特性,并給出電磁噪聲的仿真結(jié)果與分析?，F(xiàn)有文獻(xiàn)還沒(méi)有關(guān)于天線湍流邊界層脈動(dòng)應(yīng)力測(cè)量的直接結(jié)果,因此本文采用Barkwell研究聲納噪聲時(shí)的平板表面脈動(dòng)壓力數(shù)據(jù)[13],來(lái)近似橫向激勵(lì)源[14]。

1 天線橫向振動(dòng)模型

將天線橫向振動(dòng)模型考慮為隨機(jī)脈動(dòng)壓力作用下的梁,如圖1所示,其動(dòng)力學(xué)方程如(1)式所示。

圖1 天線橫向振動(dòng)模型Fig.1 Lateral vibration model of antenna

式中:EI為彎曲硬度;T(z)為天線非均勻張力;mt為天線單位長(zhǎng)度橫向振動(dòng)有效質(zhì)量;f(z,t)為天線所受橫向激勵(lì);y(z,t)為天線在海水隨機(jī)脈動(dòng)壓力作用下的振動(dòng)響應(yīng)。

在研究天線上 z=z0處集中力所激勵(lì)的振動(dòng)時(shí),可考慮z=z0的有限區(qū)域。該區(qū)域內(nèi)天線張力為近似均勻,設(shè)該張力為T(z0),則(1)式可寫成

2 橫向振動(dòng)感應(yīng)噪聲機(jī)理分析

對(duì)于電場(chǎng)天線,天線在脈動(dòng)壓力f(z,t)作用下的瞬時(shí)橫向位移為y(z,t).在yz平面內(nèi),地磁場(chǎng)有兩個(gè)分量By和Bz,Bz是與天線橫向位移相垂直的地磁場(chǎng)分量;μ(z)=A(z)N(z)代表天線靈敏度曲線,其中A(z)為天線線圈面積,N(z)為線圈匝數(shù)密度。根據(jù)電磁感應(yīng)定律,電場(chǎng)天線總的橫向振動(dòng)感應(yīng)噪聲電壓為

式中:U(k)為μ(z)的功率譜密度。對(duì)于電場(chǎng)天線,天線有效長(zhǎng)度 le即兩電極之間距離[5],故有l(wèi)e=2l.由噪聲電壓功率譜除以天線有效長(zhǎng)度平方,即可得電場(chǎng)天線橫向振動(dòng)感應(yīng)噪聲的功率譜密度Se(ω)為

(10)式表明,電場(chǎng)天線橫向振動(dòng)感應(yīng)噪聲功率譜與電纜直徑相關(guān),一旦電纜直徑確定,則mt也確定。再考慮到隨機(jī)脈動(dòng)激勵(lì)影響,電場(chǎng)天線橫向振動(dòng)感應(yīng)噪聲功率譜僅與天線長(zhǎng)度和潛艇航速有關(guān)。

3 橫向振動(dòng)感應(yīng)噪聲結(jié)果分析

欲確定橫向振動(dòng)感應(yīng)噪聲在振動(dòng)誘發(fā)噪聲中的作用,需要對(duì)不同天線長(zhǎng)度、不同航速條件下的天線橫向振動(dòng)感應(yīng)噪聲進(jìn)行仿真,并將仿真結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較分析,以驗(yàn)證所得出的機(jī)理分析。

對(duì)于電場(chǎng)天線,在(10)式的天線橫向振動(dòng)感應(yīng)噪聲功率譜Se(ω)中,包含電纜橫向力分布的二維譜密度Sf(k,ω),本文采用文獻(xiàn)[14]推導(dǎo)出的二維譜密度Sf(k,ω),如下:

由文獻(xiàn)[4]、文獻(xiàn)[5]所得的Sf(k,ω)與(11)式均不相同。采用(11)式、文獻(xiàn)[4]、文獻(xiàn)[5]的Sf(k,ω),分別將φ(ω)、Uc(ω)代入Sf(k,ω),mt= ρπa2+ρπa2b.則由(10)式得到的電場(chǎng)天線橫向振動(dòng)感應(yīng)噪聲功率譜分別為:

仿真參數(shù):地磁場(chǎng)分量Bz=50 uT,電纜直徑a= 0.008 25 m,電纜浮力系數(shù)b=0.75,天線長(zhǎng)度l= 300 m,電纜密度ρ=0.8 g/cm3,湍流邊界層位移厚度δ*=a/3.在不同航速下,由(11)式、文獻(xiàn)[4]、文獻(xiàn)[5]得到電場(chǎng)天線橫向振動(dòng)感應(yīng)噪聲功率譜Se(ω)仿真結(jié)果,如圖2所示。

圖2 電場(chǎng)天線橫向振動(dòng)感應(yīng)噪聲的仿真結(jié)果Fig.2 Simulation result of lateral vibration-induced noise for E-field antenna

為了驗(yàn)證(11)式計(jì)算得到的橫向振動(dòng)感應(yīng)噪聲的準(zhǔn)確性,圖2中也反映了300 m長(zhǎng)E場(chǎng)天線的橫向振動(dòng)感應(yīng)噪聲實(shí)驗(yàn)結(jié)果[3]。圖中,曲線由下至上分別表示航速8 kn、14 kn.

為了便于比較不同條件下的電場(chǎng)天線橫向振動(dòng)感應(yīng)噪聲功率譜結(jié)果,在兩種潛艇航速下,得到了不同頻率時(shí)橫向振動(dòng)感應(yīng)噪聲功率譜的仿真數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)[3],分別見(jiàn)表1和表2.

通過(guò)分析圖2,并比較表1和表2的數(shù)據(jù)可以看出,在電場(chǎng)天線橫向振動(dòng)感應(yīng)噪聲的計(jì)算結(jié)果中,采用(11)式的隨機(jī)脈動(dòng)壓力譜所得到的計(jì)算結(jié)果誤差最小。在8 kn航速下,Burrows的計(jì)算結(jié)果[4]與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的誤差最大時(shí)(20 Hz)可相差21.12 dB,采用(11)式時(shí)僅相差 18.61 dB,誤差的差距為2.51 dB,此時(shí)文獻(xiàn)[5]的計(jì)算結(jié)果誤差接近本文的計(jì)算誤差,但比本文的計(jì)算誤差大0.72 dB;隨著極低頻工作頻率的提高,Burrows的計(jì)算結(jié)果[4]誤差逐漸越小,但始終比本文的結(jié)果誤差大,在高頻段比較接近,而文獻(xiàn)[5]的計(jì)算結(jié)果誤差卻是逐漸增大,在160 Hz時(shí)與本文的計(jì)算誤差相差2.58 dB;隨著潛艇航速的提高,3種計(jì)算結(jié)果的誤差均會(huì)提高,但由(11)式得到的結(jié)果仍優(yōu)于Burrows[4]與文獻(xiàn)[5]的計(jì)算結(jié)果。由分析結(jié)果可知,所得的隨機(jī)脈動(dòng)壓力譜公式無(wú)論是在低頻工作段還是高頻工作段,計(jì)算誤差均小于Burrows[4]的和文獻(xiàn)[5]的,Burrows的計(jì)算公式在高頻段比較準(zhǔn)確,而文獻(xiàn)[5]的計(jì)算公式比較適用于低頻段。

表1 電場(chǎng)天線橫向振動(dòng)感應(yīng)噪聲功率譜(航速8 kn)Tab.1 Lateral vibration-induced noise power spectra of electric field antenna for the towed speed of 8 knots

表2 E場(chǎng)天線橫向振動(dòng)感應(yīng)噪聲功率譜(航速14 kn)Tab.2 Lateral vibration-induced noise power spectra of electric field antenna for the towed speed of 14 knots

分析上述現(xiàn)象的原因,(11)式中多了附加項(xiàng),且與文獻(xiàn)[5]的計(jì)算結(jié)果相差系數(shù)1.82以及指數(shù)項(xiàng)的0.55,因而由(11)式的流體脈動(dòng)壓力譜能給出更準(zhǔn)確的電磁噪聲結(jié)果,文獻(xiàn)[5]中的計(jì)算結(jié)果類似于Burrows的推導(dǎo)結(jié)果[4],但考慮了機(jī)械振動(dòng)因子。本文也可以在公式中增加該項(xiàng)內(nèi)容,但考慮到對(duì)于長(zhǎng)天線來(lái)說(shuō),此項(xiàng)噪聲功率很小,故為了使問(wèn)題更清晰,在推導(dǎo)結(jié)果中略去了此項(xiàng)。

通過(guò)仿真分析并將仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較,不僅驗(yàn)證了電場(chǎng)和磁場(chǎng)天線的機(jī)理分析,同時(shí)也證明,由于(11)式的隨機(jī)脈動(dòng)壓力譜誤差小,因而相對(duì)于Burrows[4]與文獻(xiàn)[5]的計(jì)算結(jié)果,所得的橫向振動(dòng)感應(yīng)噪聲更接近實(shí)艇實(shí)驗(yàn)結(jié)果。研究結(jié)果為后續(xù)進(jìn)一步分析電場(chǎng)和磁場(chǎng)天線的橫向振動(dòng)感應(yīng)噪聲奠定了基礎(chǔ)。

4 結(jié)論

通過(guò)建立天線在隨機(jī)脈動(dòng)壓力作用下的橫向振動(dòng)模型,計(jì)算了電場(chǎng)天線的橫向振動(dòng)感應(yīng)噪聲,給出了電場(chǎng)天線橫向振動(dòng)感應(yīng)噪聲的產(chǎn)生機(jī)理,研究了橫向振動(dòng)感應(yīng)電磁噪聲特性,并對(duì)仿真計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了分析。形成了比較完善的橫向振動(dòng)感應(yīng)噪聲分析計(jì)算方法。研究結(jié)論為:

1)在計(jì)算電場(chǎng)天線的橫向振動(dòng)感應(yīng)噪聲中,基于Bernoulii梁的振動(dòng)模型假設(shè),且采用平板壓力模型對(duì)隨機(jī)激勵(lì)進(jìn)行近似,是可行且準(zhǔn)確的?；诒疚牡奶炀€表面脈動(dòng)壓力功率譜密度擬合計(jì)算公式,得到了電場(chǎng)天線橫向振動(dòng)感應(yīng)噪聲結(jié)果,與美國(guó)麻省理工學(xué)院林肯實(shí)驗(yàn)室Burrows的實(shí)驗(yàn)結(jié)果[4]吻合,比以往的相關(guān)計(jì)算結(jié)果具有更高的精度,且模型清晰,公式使用方便,使得長(zhǎng)波通信橫向振動(dòng)的研究中,只需直接利用該公式估計(jì)噪聲譜密度即可,而不必再去處理繁瑣的流體力學(xué)問(wèn)題。

2)對(duì)電場(chǎng)天線的橫向振動(dòng)感應(yīng)噪聲進(jìn)行了仿真分析。不同天線長(zhǎng)度、不同航速下的橫向振動(dòng)分析表明,在實(shí)際的接收天線設(shè)計(jì)中,在已知天線基本參數(shù)的情況下,根據(jù)系統(tǒng)實(shí)際工作頻率,選擇適當(dāng)?shù)奶炀€長(zhǎng)度可以盡量減小橫向振動(dòng)感應(yīng)噪聲,從而減小長(zhǎng)波通信系統(tǒng)的發(fā)射功率,并提高水下收信深度和通信質(zhì)量。所得結(jié)果對(duì)于進(jìn)一步研究其他振動(dòng)模式下的振動(dòng)感應(yīng)噪聲具有一定的參考價(jià)值。

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Research on Lateral Vibration and Vibration-induced Electromagnetic Noise of Underwater Electric Field Antenna

ZHU Si-hua1,ZHU Xue-shan2,LIN Hong-wen1,HU Hao1
(1.Department of Electronic Information Engineering,Naval Aeronautical and Astronautical University, Yantai 264001,Shandong,China;2.Unit 91329 of PLA,Weihai 264200,Shandong,China)

Lateral vibration is the dominating vibration source caused by seawater ripples for the underwater electric field antenna,and the lateral vibration-induced electromagnetic(EM)noise is dominant in EM noises for long wave communication,which has a significant influence on the receiving depth and quality of long wave communication.The lateral vibration model of towed antenna is established,and the response of lateral stochastic vibration is educed.The generating mechanism and characteristic of lateral vibration-induced EM noise are analyzed.Furthermore,the simulation and analytic results of EM noise are given.All the results indicate that the calculation of vibration-induced EM noise under the assumption of Bernoulli beam and the excitation of stochastic fluctuating stresses is feasible and exact,and the antenna configuration is optimized and the vibration-induced EM noise is decreased based on the results of lateral vibration-induced EM noise.

communication technology;long wave communication;towed antenna;lateral vibration; EM noise

TN827

A

1000-1093(2014)07-1060-05

10.3969/j.issn.1000-1093.2014.07.019

2013-09-08

朱四華(1979—),男,講師。E-mail:cinly_zhu@163.com