一種艦船低頻電磁干擾的整改方法與試驗研究

張建國，瞿 丹，許榮彧，劉 鋼，楊華榮

(武漢第二船舶設計研究所，湖北 武漢 430205)

一種艦船低頻電磁干擾的整改方法與試驗研究

張建國，瞿 丹，許榮彧，劉 鋼，楊華榮

(武漢第二船舶設計研究所，湖北 武漢 430205)

為解決聲吶系統的低頻電磁干擾故障，基于電磁干擾三要素中的輻射耦合路徑，提出了一種采用坡莫合金與波紋管相結合的電磁屏蔽整改方法。首先分析了電磁干擾的形成機制以及艦船平臺上的常見類型，采用對比試驗與電磁環境測試，掌握了此次電磁干擾的耦合路徑；通過電磁屏蔽試驗以及試驗改進，驗證了整改方法的可行性。在艦船上實施改進的整改方法，測試結果證明了該方法的有效性，解決了聲吶系統的低頻電磁干擾故障。

低頻電磁干擾；耦合路徑；電磁屏蔽試驗

0 引 言

電磁兼容是研究在有限空間、有限時間、有限頻譜資源條件下，各種用電系統設備能夠正常工作，相互不受干擾。電磁干擾則是指任何能中斷、阻礙、降低或限制電子、電氣系統設備有效性能的電磁能量[1]。

電子、電氣系統設備受到強電干擾或系統內部的電磁影響，造成性能下降或不能工作的情況是電磁干擾最為常見的危害。電磁干擾對人類活動產生的三大危害為：1）破壞或者降低電子電氣系統設備的工作性能；2）引起易燃易爆物品的起火、爆炸，帶來巨大的經濟損失和人員傷亡；3）對人體組織器官造成損害，影響人員的身體健康[2]。

與其他平臺相比，艦船的電磁環境有其特殊性。艦船內部空間有限，艙室內多種系統設備密集布置，管路走線復雜，電力線、信號線、控制線等線纜高密度、集群式走線，易產生電磁耦合而形成電磁干擾[3-4]。本文為解決聲吶系統的低頻電磁干擾故障，提出一種采用坡莫合金與波紋管相結合的電磁屏蔽整改方法，通過實驗室內的屏蔽試驗和艦船上的現場測試，證明該方法的有效性。

1 電磁干擾形成機制

1.1 電磁干擾三要素

對于電子電氣系統設備，產生電磁干擾需要同時具備 3 條要素[2]：1）電磁干擾源，是指產生電磁干擾的元器件、設備、分系統、系統或者自然現象；2）耦合途徑，分為傳導耦合與輻射耦合，是指傳播干擾能量的途徑（或通道）；3）敏感設備，亦稱為被干擾設備，是指對電磁干擾產生響應的設備。

由電磁干擾源產生的電磁能量，經過某種耦合途徑傳輸到敏感設備，而導致其出現某一形式的響應并產生一定的干擾效果，這一作用過程及效果稱為電磁干擾效應。所有的電磁干擾效應都是由電磁干擾三要素組成，且缺一不可，如圖 1 所示。

1.2 常見干擾類型

傳導類型的電磁干擾能量沿著導線以電流形式傳播至敏感設備，輻射類型的電磁干擾能量以電磁波形式傳播至敏感設備。艦船平臺上常見的電磁干擾類型[2]如下:

1）雷電放電干擾

伴隨雷電產生的電磁脈沖具有沖擊電流大、持續時間短、放電次數多、電磁頻帶寬等特點，雷電周圍感應出巨大的電磁場，在導體中形成較大的電動勢和感應浪涌，此空間內的電子、電氣設備若保護不當，會造成極大的破壞。

2）開關操作干擾

繼電器、點火裝置等開關類裝置在通、斷的工作過程中，產生快速變化的電壓和電流，這些尖峰電壓和浪涌電流形成了干擾源；開關間隙越短，電磁干擾占有的頻帶越寬，含有的電流諧波越豐富，進而產生高頻輻射。

3）靜電放電干擾

電荷積累到一定量的帶電物體，與其他物體接近時，就會產生電暈放電或火花放電，形成靜電放電干擾。大多數半導體器件易受靜電放電而損壞，特別是大規模集成電路芯片更為脆弱。

4）輸電線干擾

輸電線產生的電磁輻射對通信線路、廣播電視、人員安全產生的影響越來越受關注，一般分為兩類：一是工頻電磁干擾，輸電線周圍存在基波以及奇次諧波的低頻磁場和電場的干擾；二是瞬態電磁干擾，輸電線存在電暈放電和間隙擊穿，電暈放電產生高頻脈沖電流且輻射大量電磁波，間隙擊穿伴有很高的輻射頻譜，兩者均會對周圍電子設備產生影響。

5）無線電干擾

通信、雷達、導航等系統發射的強電磁波是重要的信息載體，但對于其他電子、電氣系統設備而言，卻是無用、有害的干擾源，且具有高頻率、寬頻帶的特點，所以其他系統通過互感得到的感應電壓和電流就相對較大，進而影響其他系統的正常工作。

2 干擾現象

某型聲吶在艦船改換裝之后受到干擾而出現故障，聲吶系統的測距、測向、精度以及目標跟蹤能力等技術指標均受到一定程度的影響，進而導致該艦船的實際作戰性能降低。通過現場勘驗與電磁環境測試，并進行對比試驗，得出此次聲吶系統故障的原因是，某專用電源的電力線（供電電纜）耦合干擾了聲吶系統的信號線，電磁干擾的耦合路徑如圖 2 所示。

在現場開展對比試驗，分別在專用電源電力線斷電與通電的情況下，讓聲吶系統開機工作，檢查各項技術指標是否滿足技術要求，驗證聲吶系統的主要技術性能；同時，在干涉處（見圖 2）分別開展電磁環境測試，確認此次故障的干擾源、耦合路徑以及干擾量級。在電力線斷電與通電工況下，對比試驗的低頻磁場環境的測試結果如圖 3 所示。

依據測試結果，干涉處的低頻磁場值在電力線通電前后有明顯異常，專用電源的電力線通電時，產生低頻電磁干擾（低頻磁場干擾），聲吶系統的作戰性能明顯降低（如上文所述），頻譜中干擾最大值在 3.3 kHz 頻率，幅度約為 67 dBpT；當該專用電源斷電時，聲吶系統各項技術指標均恢復正常，干涉處 3.3 kHz 磁場幅度降低到 45 dBpT。

根據電磁兼容數據庫中以往的測試數據，在該艦船此次改換裝之前，干涉處 3.3 kHz 頻率磁場在最近一次測試值為 43 dBpT，聲吶系統運行正常。因此，整改方法需要降低低頻（1～8 kHz）電磁干擾，使得干涉處的低頻磁場在 3.3 kHz 由 67 dBpT 降低至 43 dBpT，即目標為降低 24 dBpT。

3 干擾整改方法

針對此次專用電源電力線耦合聲吶信號線而產生的低頻電磁干擾故障，依據電磁干擾三要素進行干擾機理分析，進而尋求干擾整改方法。干擾源為專用電源，敏感源為聲吶系統設備，耦合形式為輻射耦合，耦合路徑如圖 2 所示。

由于專用電源需要保障艦船上某些設備用電，其電力線的用電功率不能降低，所以圍繞干擾源的解決途徑被排除；聲吶系統在短期內不具備系統技術升級條件，且聲吶設備的機柜與信號線均采取了良好的電磁屏蔽措施，故圍繞敏感源的整改方法也被排除。因此，輻射耦合路徑成為電磁干擾整改對象[5-7]。

由于聲吶系統信號線已具備良好的屏蔽性能，整改方法針對專用電源電力線進行實施。為了切斷輻射耦合路徑，將干擾源與敏感源進行隔離，進而降低專用電源電力線的強電磁信號對聲吶信號線的耦合作用，采用如下的干擾整改方法：1）選擇具有低頻電磁屏蔽性能的特殊材料，2）進行電磁屏蔽試驗，選擇良好的屏蔽方式，3）現場進行細致施工，并調試材料的電磁屏蔽性能。

4 整改試驗與實施

4.1 選擇電磁屏蔽材料

根據電磁波的趨膚效應，電磁場在穿過屏蔽體時，吸收損耗隨電磁波頻率、屏蔽材料的電導率、磁導率及屏蔽體厚度的增加而增大，表達式如下：

式中：A為吸收損耗，dB；t為屏蔽體厚度，mm；f為電磁場頻率，Hz；μr為屏蔽體的相對磁導率；σr為相對電導率。常見金屬的低頻電磁屏蔽性能如表 1 所示[8]。

因此，不同材料的電導率對吸收損耗的貢獻差異小于磁導率，對于低頻電磁場的屏蔽，應采用高磁導率的鐵磁材料，如冷軋鋼板、坡莫合金等。同時，在選擇屏蔽材料時還應考慮材料的機械強度、鋼度以及防腐等因素。

表 1 常用金屬材料的吸收損耗關聯數據表Tab.1 Absorption loss association data table for common metal materials

對于艦船上的干涉位置，現場空間十分狹小，待屏蔽電力線與船殼以及與旁邊其他線纜的距離僅有 10 cm，可施工空間極度有限；而且鋼板強度很大，不易彎曲變形，不利于施工。因此，放棄使用冷軋鋼板材料。

對于坡莫合金材質，其低頻電磁屏蔽性能卓越，理論上僅需 0.05 mm 厚度的材料進行密封包覆，即可在 10 kHz 頻率達到 20 dB 的屏蔽性能，適合用來屏蔽電力線。但是，存在的問題是，坡莫合金材質鋼度較弱，在艦船上施工后容易發生非期望的變形等情況，影響其屏蔽性能。綜合考慮材料的屏蔽性能與可施工性，采用可彎曲纏繞式的波紋管作為支撐，起到塑型作用，再在波紋管的外層包裹坡莫合金材料。

4.2 電磁屏蔽試驗

經過市場調研，考慮材料的經濟性和可實施性，選擇 0.05 × 285（厚度 × 寬度）規格的坡莫合金材料作為低頻磁屏蔽材料，65 mm 內徑的波紋管作為支撐材料，在電磁兼容實驗室進行對比試驗，以驗證其屏蔽性能，如圖 4 和圖 5 所示。測試設備包含：信號源、音頻功率放大器、電磁輻射環、電磁接收環、EMI 接收機等[9]。

通過試驗，獲得對比試驗的測試數據如表 2 所示。

根據測試結果分析，整改方法獲得的電磁屏蔽效能在 3.3 kHz 附近頻段可達 25.6 dB。但由于現場的電磁環境比實驗室復雜，根據艦船電磁兼容試驗經驗，需要留有 6 dB 的現場環境裕量，方可達到目標所需的屏蔽效果，即實際屏蔽性能只有 19.6 dB，小于目標值24 dB（dBpT）。因此，整改方法需要進一步改進。

表 2 屏蔽材料的屏蔽效能試驗數據Tab.2 The data of the screening experiment on shielding material

4.3 試驗改進與實施

訂制屏蔽性能更優良的 0.2 × 250 規格的坡莫合金材料，按照上述的試驗方案繼續進行屏蔽試驗驗證，獲得對比試驗數據如表 3所示。

表 3 試驗改進后測試數據Tab.3 The testing data with the improved experiments

根據測試結果分析，改進的整改方案在 3.3 kHz 頻率的屏蔽效能達到 36.9 dB，在 6 kHz 頻率達到 39.6 dB；減去 6 dB 的現場環境裕量，在 3.3 kHz 仍可獲得 30.9 dB的屏蔽效能，在 6.6 kHz 可獲得 33.6 dB 的屏蔽效能，滿足預期的目標，用該整改方案進行實施。因此，在艦船現場針對電力線實施電磁屏蔽整改方法，如圖 6 所示。整改后進行低頻磁場環境測試，結果如圖 7 所示。

根據測試結果：采用改進后的試驗整改方法，干涉處的低頻磁場值在 3.3 kHz 頻率由 67 dBpT 降低至 40 dBpT，降低了 27 dBpT；在 6.6 kHz 頻率由 57 dBpT 降低至 33 dBpT，降低了 24 dBpT。在專用電源的電力線通電時，干涉處的低頻磁場恢復到故障以前水平，整改結果滿足目標要求，聲吶系統的作戰性能未出現異常，各項技術指標均恢復正常。

5 結 語

基于電磁干擾三要素中的輻射耦合路徑，本文提出一種采用坡莫合金材料與波紋管相結合的低頻磁場干擾整改方法。通過電磁屏蔽試驗以及試驗改進，驗證了整改方法的可行性。在艦船現場實施整改方法后，進行了低頻電磁環境測試，測試結果證明了本文電磁干擾整改方法的有效性，解決了聲吶系統的低頻電磁干擾故障。

[1]蘇東林, 謝樹果, 戴飛, 等.系統級電磁兼容性量化設計理論與方法[M].北京: 國防工業出版社, 2015: 45-47.

[2]林福昌, 李化.電磁兼容原理及應用[M].北京: 機械工業出版社, 2010: 8-18.

[3]韓剛, 陳冬, 周曙光.艦船通信系統電磁兼容問題研究[J].艦船電子工程, 2014, 34(2): 147-150.

[4]邵開文, 馬運義.艦船技術與設計概論[M].北京: 國防工業出版社, 2014: 769-771.

[5]朱文立, 陳燕, 肖猛, 等.電磁兼容設計與整改對策及案例分析[M].北京: 電子工業出版社, 2012:195-197.

[6]卞九輝, 杜丁.軍用電子設備電磁兼容性的分析與措施[J].艦船科學技術, 2006, 28(S1): 43-46.BIAN Jiu-hui, DU Ding.Analyses and measures on electromagnetic compatibility of military electronic equipments[J].Ship Science and Technology, 2006, 28(S1): 43-46.

[7]徐平, 萬海軍, 張勇, 劉正偉.艦船信息技術設備的電磁兼容性設計[J].艦船科學技術, 2009, 31(9): 82-86.

[8]丁世敬, 趙躍智, 葛德彪.電磁屏蔽材料研究進展[J].材料導報, 2008, 22(04): 30-34.

[9]殷虎, 楊華榮, 劉鋼.潛艇專項試驗的電磁兼容管理與控制[J].艦船科學技術, 2013, 35(4), 16-19.YIN Hu, YANG Hua-rong, LIU Gang.Electromagnetic compatibility management and control for special test of submarine[J].Ship Science and Technology, 2013, 35(4), 16-19.

Rectification method and experimental research on naval ship low-frequency EMI

ZHANG Jian-guo, QU Dan, XU Rong-yu, LIU Gang, YANG Hua-rong
(Wuhan Second Ship Design and Research Institute, Wuhan 430205, China)

In order to solve the low-frequency electromagnetic interference (EMI) on sonar system, a rectification method using both permalloy and bellows is proposed, based on the radiation coupling way of the three main factors that causing the EMI problem.Firstly the EMI formation mechanism and common forms in naval ship are analyzed, and the coupling way of this EMI problem is acquired by contrast experiments and electromagnetic environmental testing.Through electromagnetic shielding experiments and modified experiments, the feasibility of this method is validated.After implementing the rectification method in naval ship, the testing results prove the effectiveness of this method and the EMI problem on sonar system is solved.

low-frequency electromagnetic interference；coupling way；electromagnetic shielding experiment

TN03

：A

1672-7619(2017)01-0114-04doi：10.3404/j.issn.1672-7619.2017.01.023

2016-04-19；

: 2016-07-11

張建國(1985-)，男，博士，工程師，主要從事艦船電磁兼容技術與試驗研究。