爆炸震動(dòng)對(duì)整體隔震電磁屏蔽室屏蔽效能的影響

黃劉宏,賀永勝,李躍波,劉鋒,何為

(總參謀部工程兵科研三所,河南洛陽(yáng) 471023)

爆炸震動(dòng)對(duì)整體隔震電磁屏蔽室屏蔽效能的影響

黃劉宏,賀永勝,李躍波,劉鋒,何為

(總參謀部工程兵科研三所,河南洛陽(yáng) 471023)

為解決電磁屏蔽室在爆炸引起的地沖擊震動(dòng)下屏蔽效能嚴(yán)重下降的問(wèn)題,結(jié)合自有專利技術(shù)的隔震器,設(shè)計(jì)建造了整體隔震電磁屏蔽室,并利用野外化爆試驗(yàn)及屏蔽效能測(cè)試,研究爆炸沖擊震動(dòng)對(duì)整體隔震電磁屏蔽室屏蔽性能的影響。測(cè)試結(jié)果表明,在累計(jì)裝藥量160 kg的多炮次爆炸沖擊震動(dòng)下,盡管輸入的震動(dòng)加速度峰值高達(dá)115m/s2,但采取了整體隔震措施的屏蔽室底板加速度響應(yīng)峰值僅18m/s2,有效地減輕了沖擊震動(dòng)對(duì)屏蔽室的不利影響,實(shí)現(xiàn)了所設(shè)計(jì)的電磁屏蔽室屏蔽效能不出現(xiàn)較大損失,仍滿足Ⅰ級(jí)屏蔽指標(biāo)的要求。

電磁學(xué)；爆炸震動(dòng)；整體隔震；電磁屏蔽室；屏蔽效能

0 引言

當(dāng)前,在防護(hù)工程領(lǐng)域,電磁屏蔽室是應(yīng)對(duì)核與非核電磁脈沖防護(hù)的關(guān)鍵設(shè)施,但由于電磁屏蔽室大多均為焊接式,在爆炸引起的強(qiáng)烈沖擊震動(dòng)下,極易導(dǎo)致屏蔽室的焊縫開(kāi)裂,甚至變形損壞。這無(wú)疑將引起屏蔽室屏蔽性能的下降,甚至完全喪失電磁脈沖防護(hù)功能,因此研究解決屏蔽室的爆炸震動(dòng)防護(hù)問(wèn)題就顯得極為迫切。但目前開(kāi)展此方面的研究很少,經(jīng)過(guò)國(guó)內(nèi)外資料檢索,僅盧紅標(biāo)等[1]和邱艷宇等[2]通過(guò)野外爆炸震動(dòng)試驗(yàn),研究了鋼板屏蔽室在爆炸震動(dòng)下的動(dòng)力特性和屏蔽效能的變化。其試驗(yàn)結(jié)果表明,拼裝式鋼板屏蔽室屏蔽效能受爆炸震動(dòng)的影響強(qiáng)烈,其14 kHz時(shí)門縫處屏蔽效能最大降幅達(dá)44.2%;焊接式結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高,影響相對(duì)較小,但屏蔽效能最大降幅也達(dá)24.7%.其研究結(jié)果給出的屏蔽效能測(cè)試僅選擇了14 kHz和450 MHz兩個(gè)頻點(diǎn),對(duì)于常規(guī)屏蔽室一般需檢測(cè)的吉赫頻段而言,此時(shí)電磁波波長(zhǎng)較短,更易從開(kāi)裂的縫隙耦合進(jìn)入屏蔽室內(nèi)部,其屏蔽效能很可能下降得更多。

此外,目前防護(hù)工程中對(duì)有隔震要求的屏蔽室采取的均是在屏蔽室內(nèi)部設(shè)置隔震地板,這種做法導(dǎo)致隔震和電磁防護(hù)兩個(gè)專業(yè)在施工工序上多有交叉,并且只能實(shí)現(xiàn)對(duì)內(nèi)部人員和設(shè)施的震動(dòng)防護(hù),更不利的是隔震器的安裝固定破壞了屏蔽室底鋼板的完整性,對(duì)整體屏蔽性能產(chǎn)生不利影響。

為解決上述問(wèn)題,本文首次提出對(duì)電磁屏蔽室采取整體隔震的措施,即通過(guò)合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和布局,將具有自主專利技術(shù)的隔震器應(yīng)用于整個(gè)屏蔽室的底部和周側(cè),從而達(dá)到整體隔震的目的。同時(shí),通過(guò)多炮次的野外化爆試驗(yàn),分析了實(shí)測(cè)爆炸波峰值及其對(duì)屏蔽室屏蔽效能的影響,研究結(jié)果表明了采取整體隔震措施的有效性和可行性。本文的研究結(jié)論對(duì)大幅提高屏蔽室抗爆炸沖擊震動(dòng)的能力,實(shí)現(xiàn)在一定當(dāng)量的觸地爆條件下,對(duì)防護(hù)工程內(nèi)部特定區(qū)域電磁屏蔽室屏蔽效能的指標(biāo)要求奠定了基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)概況

1.1 整體隔震電磁屏蔽室

整體隔震電磁屏蔽室的設(shè)計(jì)需兼顧隔震器的安裝和屏蔽體外龍骨的需要,經(jīng)考慮應(yīng)建造為全鋼框架結(jié)構(gòu),在鋼框架與工程結(jié)構(gòu)的底部和周側(cè)均設(shè)置隔震裝置,從而實(shí)現(xiàn)“立體隔震”,在鋼框架內(nèi)側(cè)則全鋪鋼板并滿焊從而構(gòu)成一個(gè)完全密閉的六面屏蔽體[3-4]。

經(jīng)綜合設(shè)計(jì),實(shí)際建造的屏蔽室殼體尺寸為5.8m×3.8m×1.9m,屏蔽鋼板為2 mm厚的冷軋鋼板,板間縫隙均利用CO2氣體保護(hù)焊的方式密焊。按通用電磁屏蔽室的配置,屏蔽殼體上安裝屏蔽門(門框尺寸650mm×1 150mm)一樘,10 A電源濾波器(尺寸300mm×120mm×50mm)一個(gè),300mm× 300mm通風(fēng)波導(dǎo)窗兩個(gè),為安裝及檢測(cè)方便均安裝在屏蔽殼體的朝外一側(cè)側(cè)墻上。因?yàn)樵囼?yàn)?zāi)康氖菧y(cè)試爆炸震動(dòng)對(duì)屏蔽室屏蔽效能的影響,屏蔽殼體內(nèi)部未裝修,僅通過(guò)電源濾波器的接入實(shí)現(xiàn)了內(nèi)部供電。屏蔽體外側(cè)為H型和T型鋼焊接構(gòu)成的鋼框架,同時(shí)也是屏蔽殼體的外龍骨,在鋼框架底部和周側(cè)設(shè)計(jì)安裝了自有專利技術(shù)的YGG型非線性鼓形和FGG型長(zhǎng)條形鋼絲繩隔震器[5-6](改進(jìn)版)。整體隔震屏蔽室立面圖及焊接安裝完成后的實(shí)物照片如圖1和圖2所示,圖1中D為布設(shè)的位移傳感器。

圖1 整體隔震屏蔽室立面圖Fig.1 Elevation of electromagnetic shielded enclosure with integral shock isolation

圖2 整體隔震屏蔽室實(shí)物照片F(xiàn)ig.2 Photo of electromagnetic shielded enclosure with integral shock isolation

1.2 裝藥及炮孔布置

化爆試驗(yàn)的炮孔設(shè)置在整體隔震屏蔽室外側(cè)混凝土被覆結(jié)構(gòu)的土體內(nèi),經(jīng)綜合考慮,采用了分設(shè)2個(gè)或3個(gè)炮孔分別裝藥的方法。由于爆炸會(huì)在場(chǎng)地土中形成較大的空腔,為保證每個(gè)炮次之間互不影響,在每炮次試驗(yàn)完成后,均先用機(jī)械洛陽(yáng)鏟打通原炮孔,再用場(chǎng)地土對(duì)炮孔進(jìn)行填塞,適當(dāng)輔以機(jī)械夯實(shí),使結(jié)構(gòu)周圍的場(chǎng)地介質(zhì)土盡量恢復(fù)原狀,然后再進(jìn)行下一炮孔的鉆取。

試驗(yàn)共放3炮,編號(hào)分別為10號(hào)、11號(hào)和13號(hào)(炮孔位置亦按此編號(hào)),各炮裝藥量及裝藥深度為: 10號(hào),2點(diǎn)等量TNT裝藥合計(jì)60 kg,埋深8.5 m; 11號(hào),2點(diǎn)等量TNT裝藥合計(jì)70 kg,埋深9m;13號(hào), 3點(diǎn)等量TNT裝藥合計(jì)30 kg,埋深3m.化爆試驗(yàn)炮孔布置見(jiàn)圖3.

圖3 化爆試驗(yàn)炮孔布置Fig.3 Arrangement of blast holes

1.3 屏蔽效能測(cè)試

對(duì)整體隔震電磁屏蔽室屏蔽效能的檢測(cè)依據(jù)GB/T 12190—2006電磁屏蔽室屏蔽效能的測(cè)量方法[7],具體測(cè)試工作由具有資質(zhì)的總參軍訓(xùn)部防護(hù)工程計(jì)量測(cè)試站進(jìn)行。該站的電磁屏蔽室屏蔽效能檢測(cè)裝置由功率信號(hào)源、收發(fā)天線、頻譜儀及其他輔助設(shè)施組成,選取的測(cè)試頻點(diǎn)為14 kHz、100 kHz、200 kHz、15 MHz、450 MHz、950 MHz、3 GHz、6 GHz、10GHz.其中前4個(gè)頻點(diǎn)為低頻測(cè)量,使用具有靜電屏蔽的小環(huán)天線,后5個(gè)頻點(diǎn)為高頻測(cè)量,其中450MHz和950 MHz使用偶極子天線,其余3點(diǎn)使用寬帶雙脊喇叭天線。按照GB/T 12190—2006之規(guī)定,在分別采用上述頻點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試時(shí)需依據(jù)測(cè)試天線的不同,設(shè)定不同的測(cè)試距離,具體測(cè)試配置如圖4所示。

結(jié)合GB/T 12190—2006的規(guī)定和整體隔震屏蔽室設(shè)備安裝實(shí)際,屏蔽效能測(cè)點(diǎn)均選定在其臨空一側(cè)的側(cè)墻上。測(cè)點(diǎn)布置及現(xiàn)場(chǎng)照片見(jiàn)圖5.由于屏蔽門尺寸較小,在對(duì)其進(jìn)行小環(huán)天線磁場(chǎng)測(cè)試時(shí)僅在門各邊中點(diǎn)選擇一個(gè)測(cè)點(diǎn)(測(cè)點(diǎn)1～4),電源濾波器安裝孔位置為測(cè)點(diǎn)6,上下兩個(gè)波導(dǎo)窗中心位置為測(cè)點(diǎn)7和測(cè)點(diǎn)8.使用偶極子和喇叭天線測(cè)試時(shí)為平面波照射,可輻照整個(gè)屏蔽設(shè)備安裝區(qū)域,故僅選取門中心為測(cè)點(diǎn)5.另外,按隔震設(shè)計(jì),在被覆結(jié)構(gòu)的底部和頂部中央,整體隔震屏蔽室殼體底板和頂板中央等位置均布置有一定數(shù)量的加速度和位移傳感器,以測(cè)量相關(guān)震動(dòng)參數(shù)。

圖4 屏蔽效能測(cè)試示意圖Fig.4 Schematic diagram of shielding effectivenessmeasurement

圖5 屏蔽效能測(cè)點(diǎn)布置Fig.5 Positions of test points for shielding effectiveness

2 測(cè)試結(jié)果及分析

2.1 加速度峰值及脈寬測(cè)試結(jié)果

表1給出了3個(gè)炮次時(shí),被覆結(jié)構(gòu)的底板、整體隔震屏蔽室底板和頂板中央處的加速度峰值及脈寬(為說(shuō)明問(wèn)題,僅列出部分測(cè)點(diǎn)的測(cè)試數(shù)據(jù))。以裝藥量較大的11號(hào)炮次為例,圖6(a)和圖6(b)為被覆結(jié)構(gòu)底板和屏蔽室底板中央加速度實(shí)測(cè)波形。從中可以看出,化爆引起被覆結(jié)構(gòu)底板沖擊加速度峰值達(dá)115m/s2,而整體隔震的屏蔽室底板加速度第1個(gè)峰值只有12 m/s2,第2個(gè)峰值為18 m/s2,幅值降低可高達(dá)89.6%,同時(shí)受隔震器位移變形耗能作用的影響,脈寬增長(zhǎng)了5倍。這充分說(shuō)明所采取的整體隔震措施,極大地減輕了爆炸地沖擊所引起的屏蔽室的震動(dòng),進(jìn)而也會(huì)減輕沖擊震動(dòng)對(duì)屏蔽室剛性焊縫及其他薄弱連接部件的不利影響,降低焊縫撕裂與連接部件開(kāi)裂的風(fēng)險(xiǎn)。

表1 加速度峰值及脈寬測(cè)試結(jié)果Tab.1 Acceleration peak values and lasting time

圖6 11號(hào)炮次時(shí)加速度實(shí)測(cè)波形Fig.6 Measured waveforms of acceleration for 11#

此外,在周側(cè)隔震器的作用下,相比于屏蔽室底板,其頂板的加速度峰值,尤其是脈寬未出現(xiàn)明顯的放大作用[1],這是未采用整體隔震的屏蔽室所不具有的特征,有助于解決屏蔽室頂部照明通信電源、消防等濾波器和內(nèi)部吊頂?shù)仍O(shè)施在劇烈震動(dòng)下易損壞的問(wèn)題。

2.2 屏蔽效能測(cè)試結(jié)果

電磁屏蔽效能是表征屏蔽體對(duì)電磁波衰減程度的重要指標(biāo),其定義為屏蔽前某點(diǎn)的場(chǎng)強(qiáng)與屏蔽后該點(diǎn)場(chǎng)強(qiáng)之比[8],表示為

式中:E0、H0分別為屏蔽前某點(diǎn)的電場(chǎng)強(qiáng)度與磁場(chǎng)強(qiáng)度;ES、HS分別為屏蔽后某點(diǎn)的電場(chǎng)強(qiáng)度與磁場(chǎng)強(qiáng)度?；囼?yàn)進(jìn)行了3次,屏蔽性能測(cè)試則進(jìn)行了4次,其中第一次為屏蔽室焊接安裝完畢,爆炸試驗(yàn)未開(kāi)始之前,之后每次爆炸后均進(jìn)行測(cè)試。經(jīng)整理,圖7(a)～圖7(h)給出了前述8個(gè)測(cè)點(diǎn)4次屏蔽效能的測(cè)試結(jié)果。經(jīng)過(guò)分析,可以看出:

1)屏蔽門門縫上的4個(gè)測(cè)點(diǎn)(測(cè)點(diǎn)1～4)在14 kHz～15MHz頻率范圍內(nèi)的變化規(guī)律基本相同,均表現(xiàn)為14 kHz和200 kHz處屏蔽效能隨炮次的增加而逐漸降低,最大降幅為20.5%(在14 kHz測(cè)點(diǎn)1處);100 kHz處屏蔽效能小幅起伏,變化較小; 15MHz處屏蔽效能隨炮次的變化規(guī)律不明顯,但總體上是反有提高,最大提升11.6 dB.由于屏蔽門門縫采用的是指狀鈹銅簧片與門框銅板壓接,因此在爆炸震動(dòng)下,簧片變形及壓接狀況發(fā)生改變進(jìn)而改善部分頻點(diǎn)的屏蔽效能是很可能的。

2)測(cè)點(diǎn)5為屏蔽門正中央,采用450 MHz～10 GHz的點(diǎn)頻平面波照射,其測(cè)試結(jié)果可代表整個(gè)屏蔽室在此頻率范圍內(nèi)的屏蔽效能。從曲線上看,各頻率點(diǎn)基本均表現(xiàn)為屏蔽效能隨炮次的增加而小幅降低,最大降幅9.9%,可認(rèn)為受爆炸震動(dòng)的影響較小。

3)測(cè)點(diǎn)6為電源濾波器的安裝位置,在14 kHz處屏蔽效能隨炮次的增加而降低,降幅19.7%;其他頻率處的測(cè)試值小幅起伏,變化幅度不超過(guò)5 dB,可認(rèn)為受爆炸震動(dòng)的影響較小。究其原因,應(yīng)該與濾波器的安裝方式有關(guān)。不同于屏蔽室絕大部位均采用焊接方式,濾波器的安裝是通過(guò)在屏蔽殼體上開(kāi)孔,兩邊加隔銅絲網(wǎng)襯墊后用螺釘擰緊固定的,因此相對(duì)于剛性焊縫,其受沖擊震動(dòng)的影響要小。

圖7 不同測(cè)點(diǎn)處的屏蔽效能測(cè)試結(jié)果Fig.7 Shielding resultsmeasured at different test points

4)測(cè)點(diǎn)7和測(cè)點(diǎn)8分別為上、下兩個(gè)通風(fēng)波導(dǎo)窗的中心位置,從曲線變化規(guī)律上看,二者也非常相似,均表現(xiàn)為在14 kHz時(shí)屏蔽效能隨炮次的增加而降低,并且降低的幅度較大,分別為30 dB和15 dB,降幅達(dá)28.7%和15.9%,這說(shuō)明所采用的成品通風(fēng)波導(dǎo)窗抗沖擊震動(dòng)的能力偏弱。分析其原因,這與通風(fēng)波導(dǎo)窗的制造構(gòu)成有關(guān)。波導(dǎo)窗的板芯是由多個(gè)六角形蜂窩截止波導(dǎo)單元構(gòu)成,單元間的導(dǎo)電連接依賴于表面連續(xù)的化學(xué)鍍層(多鍍鎳或錫),但波導(dǎo)單元與連接鍍層結(jié)構(gòu)受力上偏弱,同時(shí)波導(dǎo)板芯與周邊邊框的搭接也易受震動(dòng)的影響。這也說(shuō)明今后在選用成品通風(fēng)波導(dǎo)窗時(shí)應(yīng)對(duì)其抗震性能提出相應(yīng)要求。

從現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試來(lái)看,盡管可以知道哪些測(cè)點(diǎn)處的屏蔽性能降低,但經(jīng)過(guò)仔細(xì)檢查并沒(méi)有發(fā)現(xiàn)肉眼可見(jiàn)的裂縫。同時(shí)多個(gè)炮次的沖擊震動(dòng)存在疊加效應(yīng),對(duì)裂縫的形成和發(fā)展的影響難以預(yù)計(jì),因此可以看到部分測(cè)點(diǎn)處的測(cè)試值出現(xiàn)與測(cè)試次數(shù)順序不符的漲落,表現(xiàn)出了無(wú)規(guī)律的變化特征。

總體而言,盡管經(jīng)過(guò)了數(shù)個(gè)炮次的重復(fù)沖擊震動(dòng),個(gè)別炮次裝藥甚至高達(dá)70 kg,整體隔震屏蔽室的屏蔽性能出現(xiàn)了一定程度的下降,但仍能滿足Ⅰ級(jí)屏蔽室的指標(biāo)要求[9]。這表明安裝在結(jié)構(gòu)底部和周側(cè)的鋼絲繩隔震系統(tǒng)對(duì)屏蔽室確有較好的減震作用,能夠在一定當(dāng)量的爆炸沖擊震動(dòng)下維持其屏蔽性能。

3 結(jié)論

本文通過(guò)多炮次的野外化爆試驗(yàn),研究了爆炸沖擊震動(dòng)對(duì)整體隔震屏蔽室屏蔽性能的影響。研究結(jié)果表明,在60 kg、70 kg和30 kg 3種不同裝藥量的化爆沖擊震動(dòng)下,盡管輸入的震動(dòng)加速度峰值高達(dá)115m/s2,但采取了整體隔震措施的屏蔽室底板加速度峰值最大僅18m/s2,有效地減輕了沖擊震動(dòng)對(duì)屏蔽室的影響,實(shí)現(xiàn)了屏蔽效能仍滿足Ⅰ級(jí)屏蔽指標(biāo)的要求。需要說(shuō)明的是,受客觀條件的限制,野外化爆試驗(yàn)次數(shù)偏少,并且受裝藥量及埋設(shè)位置等多因素的影響,對(duì)爆炸輸入的沖擊波加速度峰值不能準(zhǔn)確控制,這在后續(xù)試驗(yàn)時(shí)應(yīng)加以考慮改進(jìn)。

致謝:文中野外測(cè)試及數(shù)據(jù)整理得到了杜建國(guó)研究員和陳榮華工程師的協(xié)助,在此表示感謝。

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Influence of Blast Shock on Shielding Effectiveness of Electromagnetic Shielded Enclosure w ith Integral Shock Isolation

HUANG Liu-hong,HE Yong-sheng,LIYue-bo,LIU Feng,HEWei
(The Third Engineer Research Institute,the Headquarters of the General Staff,Luoyang 471023,Henan,China)

Shielding effectiveness of electromagnetic shielded enclosure would be decreased by blast shocks.An electromagnetic shielded enclosurewith the shock isolatorwith own patented technology is designed and constructed.The field blasting and shielding performance tests are conducted to study the effect of blast shock on the the shielding effectiveness of electromagnetic shielded enclosure with integral shock isolation.The results show that the vibration acceleration of electromagnetic shielded enclosurewith integral shock isolation is only 18m/s2although the input vibration acceleration peak is up to 115m/s2under the blast shocks of160 kg cumulative charge.Thismeans that the integral shock isolation effectively reduces the impact of blast shock on electromagnetic shielded enclosure.The electromagnetic shielded enclosuremeets the requirement of GradeⅠ.

electromagnetics;blast shock;integral shock isolation;electromagnetic shielded enclosure; shielding effectiveness

O441.5;TB535.1

A

1000-1093(2014)12-2072-06

10.3969/j.issn.1000-1093.2014.12.020

2014-03-18

武器裝備軍內(nèi)科研條件建設(shè)項(xiàng)目(2013年)

黃劉宏(1983—),男,助理研究員。E-mail:infirstime@163.com;

賀永勝(1969—),男,高級(jí)工程師。E-mail:704132755@qq.com