艦船低頻天線隔振設計及驗證

余祖耀，陳書朋，毛文敏

(華中科技大學，湖北 武漢 430074)

0 引 言

海水作為一種導電媒質，對電磁波衰減很大，目前，水下通信的有效手段仍然以甚低頻和超低頻通信為主，低頻通信是在艦船等軍用領域具有重要應用前景。低頻電磁波經海水衰減，信號十分微弱。因此，其接收設備高靈敏低頻磁性天線[1]必須具有很高的靈敏度及很強的抗干擾能力。

但是，高靈敏低頻磁性天線對磁場十分敏感，隨艦船振動會切割磁力線形成感應電流，使高靈敏磁性天線的信噪比降低、產生信號失真，甚至無法完成正確的通信任務，其中以垂向振動影響最為顯著。消除低頻磁性天線的運動感應噪聲具有十分重要的意義。由于低頻磁性天線對電磁場的敏感度過高，因此必須選用一種合適的、不會產生多余電磁噪聲的減振方式對高靈敏低頻磁性天線安裝位置的振動進行衰減。

隔振分為被動隔振和主動隔振[2–5]，前者依賴元器件的剛度、阻尼特性實現隔振，而主動隔振則依賴主動驅動器產生驅動力從而達到抑制振動的目的。國內外研究表明[6–7]，被動隔振通過增加層數的方式能夠有效地增強隔振性能，但當層數增加時系統的穩定性會下降，且較主動隔振技術而言，被動隔振的無源特性不會對設備本身產生額外電磁干擾。

本文從磁性天線運動感應噪聲產生原理出發，分析振動對通信信號的影響，并采取雙層隔振方式實現天線振動抑制，通過仿真對比掌握系統隔振特性，然后從有限元仿真及試驗的角度出發完成隔振系統性能驗證。

1 天線振動分析及建模

1.1 艦船天線運動感應噪聲原理

艦船低頻磁性天線產生運動感應噪聲的原因是天線振動引起磁場與天線實際軸線之間夾角θ的變化，產生了隨時間變化的磁感線切割，造成了線圈磁通量的變化，引起了磁性天線的收發噪聲信號電壓，其原理如圖1所示[8]。

圖 1 運動感應噪聲原理Fig. 1 Principle of motion induced noise

通過微元天線的磁通量為：

式中 μ (y)為靈敏度函數，磁通量的變化率為感應電壓，即由振動產生的噪聲電壓為：

式中運動感應噪聲電壓大小與磁性天線的振動強度息息相關，因此采取適宜的隔振方法，減弱通信天線的振動強度，可以減小天線運動感應電壓，提高通信系統的信噪比

1.2 低頻天線被動隔振建模

多級被動隔振技術在獲取優異隔振性能的同時意味著需要增加多個沒有實際用途的中間層質量，因此需要綜合掌握系統的隔振特性，從而獲得最優設計結果，理想情形下，多級被動隔振系統動力學模型如圖2所示，可以得到多級被動隔振系統動力學方程表達式：

其中M，C，K分別為系統的質量矩陣、阻尼矩陣和剛度矩陣。當隔振級數n=2時，為雙級隔振系統，即

圖 2 多級被動隔振系統動力學模型Fig. 2 Multi-stage passive vibration isolation system dynamics model

雙級隔振系統幅值衰減的無量綱表達式為：

依照單一變量原則可以依次得到不同 μ ,α,ξ1,2情形下幅值衰減隨頻率比變化規律。

根據圖中特性曲線可以得出以下結論：

1）增加質量比或減小上下級固有頻率比，能夠略微擴寬系統的隔振頻帶，但無法提高工作頻段內幅值衰減的增長速率；

2）增加上、下級阻尼比能夠有效地抑制共振，降低系統發生共振時的振幅，但在隔振頻段內，上下級阻尼的增加會對系統幅值衰減性能產生負面影響；

3）阻尼比不同時的隔振系統諧振頻率相近，弱阻尼條件下，系統諧振頻率近似等于無阻尼固有圓頻率。

2 雙級被動隔振的結構有限元仿真

2.1 隔振系統結構方案設計

在滿足隔振元件選取原則[9]：剛度合適、形狀合適、阻尼比合適、材料合適的前提下，選取了BE型橡膠隔振器，該隔振器在橡膠內固連著金屬框架，能夠保證足夠的結構強度，避免橡膠長期受載情況下的疲勞斷裂致使裝置意外脫落。

圖 3 系統參數影響特性Fig. 3 System parameter influence characteristics

雙級隔振系統中各自由度之間的耦合嚴重影響系統的隔振性能，一般在隔振元件安裝時應滿足對稱于中心主慣性坐標軸的垂直平面的原則，并保證各隔振元件承受的載荷一致，且上、下級之間的隔振元件應該不對齊布置從而能夠減小傳遞到隔振對象的振動。在滿足三維空間尺寸要求前提下，依照安裝布置原則的隔振結構如圖4所示。

2.2 基于Ansys的結構有限元仿真

Ansys位移諧響應分析可以確定線性結構在承受簡諧載荷時的穩態響應，分析過程中只計算結構的穩態受迫振動，不考慮激振開始時的瞬態振動，本文位移諧響應分析通過0～150 Hz內取15個頻率點在給定位移激勵下計算得到的磁性天線某頻率下表面振幅最大值，從而完成仿真性能驗證。各個頻率點仿真計算結果擬合曲線如圖5所示。

圖 4 隔振樣機結構示意圖Fig. 4 Vibration isolation prototype structure diagram

圖 5 幅值衰減有限元仿真結果Fig. 5 Amplitude attenuation finite simulation results

根據圖示結構有限元仿真結果可以得到以下結論：

1）共振頻段內，振動抑制作用較差，并在第1個諧振頻率，振幅達到最大，但此時共振振幅不超過結構允許最大幅值，滿足隔振需求；

2）工作頻段內幅值衰減性能能夠達到25 dB以上，且隨頻率的增加，隔振性能呈上升趨勢，滿足隔振需求。

3 低頻天線隔振系統試驗測試

為進一步明確系統隔振性能，在仿真基礎上搭建如圖6所示雙級被動隔振結構試驗裝置。

試驗基本流程為計算機給出振動控制指令使振動臺產生不同的振動激勵，并完成定頻試驗、掃頻試驗測試。磁性天線上從固定端到中心處等距分布測點1～測點4，加速度傳感器分別測量振動臺、天線的加速度響應，經過信號調理以及數據采集設備后，傳遞到計算機進行數據處理和分析，通過對比并計算加速度傳感器測量信號幅值差異，驗證磁性天線隔振裝置的隔振性能是否滿足幅值衰減要求。振動試驗需要在滿足表1所示定頻、掃頻國軍標GJB150.16A-2009[10]振動試驗條件要求下定義裝置激勵條件。如圖7為不同測點幅值衰減測試性能曲線。

圖 6 試驗測試裝置Fig. 6 Test device

表 1 國家標準的振動試驗條件Tab. 1 National standard vibration test conditions

圖 7 不同測點幅值衰減測試性能Fig. 7 Different measurement points amplitude attenuation test performance

從圖中的測試性能可以得到以下結論：

1）該隔振設計合理可靠，工作頻段內隔振樣機幅值衰減能夠大致滿足20 dB的隔振需求，靠近固定端隔振效果最佳時能夠達到31 dB；

2）共振區域內，測試曲線近似重合，但在工作頻段內，由于隔振裝置無法視為理想剛體，靠近固定處隔振性能顯著優于磁性天線中心處，且在工作頻段內存在額外的諧振點此時天線剛性對性能的影響最為顯著。

4 總 結

本文在掌握天線振動影響規律的基礎上，采用雙級隔振方式完成了低頻磁性天線隔振設計研究，其仿真性能在工作頻段內達到至少25 dB，然而在實際情形下，由于隔振元件的剛度不能視為恒定值，伴隨著激勵頻率升高，隔振元件會硬化，剛度增加，因此實際測試往往達不到仿真預估值。該隔振裝置在工作頻段內實際能夠達到至少18 dB的衰減性能，基本滿足低頻磁性天線幅值衰減需求，為低頻天線上艇應用奠定基礎。

然而仿真及試驗結果中，結構剛性對系統幅值衰減性能的影響十分顯著，在后續工作中，需利用有限元仿真完成系統結構優化，進一步獲得更佳的隔振性能，從而更加完善解決艦船運動過程中天線信噪比較低的問題。