爆炸場沖擊波測試裝置電磁屏蔽結(jié)構(gòu)研究

李榮基，尤文斌，丁永紅，秦 昊，盧曉洋

(1.中北大學(xué) 電子測試技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太原 030051；2.中北大學(xué) 電氣與控制工程學(xué)院，太原 030051)

1 引言

彈藥爆炸時(shí)會(huì)伴有強(qiáng)電磁場和強(qiáng)電磁輻射，這往往對測試系統(tǒng)產(chǎn)生極大地影響，影響測試結(jié)果的質(zhì)量。學(xué)者Boronin做過炸藥爆炸過程產(chǎn)生電磁輻射的機(jī)理，證明爆炸時(shí)的確伴隨有強(qiáng)的電磁場。崔元博等對爆炸產(chǎn)生的電磁輻射信號進(jìn)行了測量及分析。爆炸產(chǎn)生的電磁輻射信號頻率多為100 MHz以內(nèi)的，其中50 MHz以下的頻段能量分布最為明顯，可持續(xù)到爆炸后幾十毫秒。曹景陽等對航天級火工品爆炸產(chǎn)生的電磁輻射進(jìn)行測量，結(jié)果表明爆炸幾十毫秒后仍有較強(qiáng)的電磁輻射，輻射的幅度變化范圍從10V/m到10V/m不等。

目前，在沖擊波超壓數(shù)據(jù)測試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)當(dāng)中，通過特殊防護(hù)殼體設(shè)計(jì)、系統(tǒng)電路緩沖灌封等方法僅僅是初步解決測試系統(tǒng)在惡劣環(huán)境中的生存問題，而較少考慮減小甚至消除電磁輻射帶來的影響。沖擊波信號伴隨強(qiáng)電磁場測試環(huán)境，不采取措施會(huì)對測試信號帶來強(qiáng)大干擾。趙靈智等設(shè)計(jì)電磁屏蔽體、構(gòu)建光纖以太網(wǎng)絡(luò)等辦法應(yīng)對強(qiáng)磁場環(huán)境。在保證裝置體積質(zhì)量一定的情況下，本文提出了一種鋁與坡莫合金組成的雙層屏蔽結(jié)構(gòu)，用于存儲(chǔ)測試裝置，以減小電磁干擾對測試的影響。本文模擬彈藥靜爆時(shí)產(chǎn)生的電磁輻射，分別對3種殼體進(jìn)行了仿真，最后通過實(shí)驗(yàn)證明本雙層殼體的屏蔽效果遠(yuǎn)高于鋁、鋼的單層屏蔽結(jié)構(gòu)。

2 電磁屏蔽

電磁屏蔽，即利用屏蔽體的反射、衰減等使得電磁輻射場源所產(chǎn)生的電磁能流不進(jìn)入被屏蔽區(qū)域。通常，屏蔽材料對空間某點(diǎn)的屏蔽效果用屏蔽效能SE(Shielding Effectiveness,dB)表示。

S.A.Schelkunoff電磁屏蔽理論認(rèn)為，電磁波傳播到屏蔽材料表面時(shí)，通常有3種不同機(jī)理進(jìn)行衰減: 未被反射而進(jìn)入屏蔽體的吸收損耗；在入射表面的反射損耗；在屏蔽體內(nèi)部的多重反射損耗，如圖1所示。

圖1 電磁屏蔽機(jī)理示意圖

電磁屏蔽的作用就是體現(xiàn)在表面反射損耗、吸收損耗和內(nèi)反射損耗上，所以將這三者分別稱為 電磁屏蔽效能的第一機(jī)理、第二機(jī)理和第三機(jī)理。

綜上所述，電磁屏蔽效能可用下式表示

=··或=++

(1)

式中：是反射損耗;是吸收損耗;是多次反射損耗。當(dāng)>10 dB時(shí)，可以忽略。

對于點(diǎn)源表面反射損耗:

(2)

式中：距離的單位為m，頻率的單位為Hz；是相對磁導(dǎo)率；是相對電導(dǎo)率。

吸收損耗計(jì)算:

(3)

式中：屏蔽體厚度的單位為mm。開口處的屏蔽效能。

(4)

式中：是開口處的反射損耗；是空間開口處的波阻抗與空間入射波的波阻抗之比=669×10·；是開口的長度(cm)；是頻率；是開口的深度(cm)。從公式可以看出，相對磁導(dǎo)率和電導(dǎo)率是影響材料的磁屏蔽性能的關(guān)鍵因素。鋁、鋼以及坡莫合金3種材料中，坡莫合金的相對磁導(dǎo)率最大，而磁導(dǎo)率越大，屏蔽效能越好。

假設(shè)不考慮從不同路徑透入屏蔽體空間內(nèi)的電磁場差異，則可按下式計(jì)算實(shí)際屏蔽體的屏蔽效能。

(5)

3 測試裝置的電磁仿真

3.1 電磁屏蔽模型

自由場測壓大大減少了地面反射所造成的誤差，從而提高了測試的精確性。在爆炸試驗(yàn)開始前，將記錄儀安裝到與爆心同高的測點(diǎn)位置。Ansoft Maxwell是世界著名的低頻電磁場有限元軟件之一，在各個(gè)工程電磁領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用。它基于麥克斯韋微分方程，采用有限元離散形式，將工程中的電磁場計(jì)算轉(zhuǎn)變?yōu)辇嫶蟮木仃嚽蠼狻Ｔ趯?shí)際實(shí)驗(yàn)過程電磁仿真，為了盡可能符合規(guī)律，對各距離參數(shù)進(jìn)行適當(dāng)?shù)姆趴s。

在三維瞬態(tài)場器中采T-Ω用算法，可以用局部剖分發(fā)來計(jì)算三維瞬態(tài)運(yùn)動(dòng)帶來的效應(yīng)。麥克斯韋方程可以寫為下式:

(6)

也可化為2個(gè)恒等式，如下式子。

(7)

在求解三維瞬態(tài)磁場時(shí)，其棱邊上的矢量位自由度采用了一階元計(jì)算，而節(jié)點(diǎn)上的標(biāo)量位自由度采用二階元計(jì)算。

圖2為本文所討論的殼體結(jié)構(gòu)圖，單層殼體結(jié)構(gòu)上半部分是魚嘴形狀，頂部有傳感器連接口，下半部分是圓柱狀，底面有讀數(shù)口，充電口以及指示燈口，如圖2、圖3所示。裝置傳感器安裝口直徑為23 mm，長度為23 mm。裝置電路板放置區(qū)直徑為30 mm，長度為90 mm。雙層屏蔽是在單層的基礎(chǔ)上加了一層厚度為3 mm的坡莫合金，如圖4所示。

圖2 殼體剖面圖

圖3 單層殼體仿真模型示意圖

圖4 雙層屏蔽結(jié)構(gòu)仿真模型示意圖

3.2 爆炸電磁場屏蔽性能數(shù)值仿真

本文仿真中干擾源使用的是點(diǎn)源，是由在距離地面1.5 m的位置由一個(gè)模擬藥柱產(chǎn)生，與裝置的水平距離是10 m。電磁場是由持續(xù)20 ms的階躍電壓信號。鋁的相對磁導(dǎo)率為1.000 021，質(zhì)量密度2 689 kg/m；鋼的相對磁導(dǎo)率是根據(jù)BH曲線的變化過程所得，質(zhì)量密度為7 282 kg/m；坡莫合金的相對磁導(dǎo)率為100 000，質(zhì)量密度為0.009 8 kg/m。內(nèi)部放置的電路板長35 mm，寬20 mm，厚度為2 mm。創(chuàng)建計(jì)算區(qū)域(Region)Padding Percentage：10%，材料為空氣。網(wǎng)格的大小為10 mm，計(jì)算的總時(shí)間為20 ms，步長為0.000 2,如表1所示。

表1 信號源參數(shù)

在仿真中，雖然模型采用了1∶1的方式，但是由于爆炸場的復(fù)雜性，結(jié)果與實(shí)際會(huì)有一定誤差。對不同殼體材料的裝置內(nèi)部電路板上磁場強(qiáng)度變化結(jié)果如圖5～圖7所示。

圖5～圖7分別是3種材料在在仿真中的實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖，將外部的殼體隱去，云圖只顯示內(nèi)部電路板在爆炸場中的磁感應(yīng)強(qiáng)度的變化。

由表2可知，鋼殼內(nèi)電路板上最大磁感應(yīng)強(qiáng)度為1.960 1×10T；鋁殼的則最大為3.339 1×10T；采用雙層屏蔽的電路板上最大為5.760 5×10T。雙層結(jié)構(gòu)是磁屏蔽效果最好，鋁殼的電磁屏蔽性最差。其中，雙層屏蔽結(jié)構(gòu)的裝置內(nèi)電路板的磁場強(qiáng)度是其他2種的萬分之一。

圖5 鋁殼內(nèi)電路板磁場變化圖

圖6 鋼殼內(nèi)電路板磁場變化圖

圖7 雙層屏蔽殼體內(nèi)磁場變化圖

表2 不同材料殼體內(nèi)電路板磁場變化

根據(jù)式(1)～式(5)可求得，3種外殼的電磁屏蔽效能分別是19.29 dB、43.39 dB、531.67 dB。雙層屏蔽的效果遠(yuǎn)超單層殼體。

圖8是電路板上磁場強(qiáng)度隨時(shí)間變化曲線，反應(yīng)了最大磁場位置在3種殼體下的磁場強(qiáng)度隨時(shí)間變化圖。

圖8 不同材料殼體內(nèi)電路板固定點(diǎn)磁場變化曲線

4 實(shí)驗(yàn)

在某測試場進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證，試驗(yàn)選取同一種彈藥，在距爆心10 m處放置3種殼體不同的裝置，放置如圖9所示，從左到右依放置的裝置為鋁殼、鋼殼以及雙層屏蔽結(jié)構(gòu)。

測試結(jié)果如圖10所示，自上而下裝置殼體材料分別為鋁、鋼以及鋁加坡莫合金。裝置采用相同的模擬電路和數(shù)字電路，且外接相同的傳感器。從圖中可以看出，三者相比，鋁殼裝置明顯存在較多的噪聲。對于3種的殼體測得的信號求取信息熵，依次分別是2.240 7 bit、4.313 2 bit和7.201 1 bit。鋁殼測得超壓信號混雜的噪聲最多，噪聲信號占到68%，鋼殼的占到30%，雙層屏蔽的占到5%。雙層屏蔽裝置的信息熵大于另外兩者。

圖9 實(shí)驗(yàn)布置圖

圖10 測試結(jié)果曲線

得到的數(shù)據(jù)經(jīng)過小波變換處理后如圖11所示，本文采用4層小波變換對原始信號進(jìn)行處理。經(jīng)過處理后，將噪聲信號與有效的超壓信號分離，保留了超壓信號的有效部分。由于實(shí)驗(yàn)條件的有限，不能得出不同當(dāng)量對測試結(jié)果的影響具體關(guān)系，可以在后續(xù)的工作，仍有待進(jìn)一步深入。

圖11 數(shù)據(jù)處理結(jié)果曲線

5 結(jié)論

實(shí)驗(yàn)測得數(shù)據(jù)中鋁殼裝置的信噪比為-10.10 dB，鋼殼裝置為 -3.419 6 dB，雙層屏蔽為25.86 dB。鋁殼和鋼殼裝置測到的數(shù)據(jù)受到的電磁干擾較大，而雙層屏蔽的信號則幾乎沒有噪聲混疊。本文雙層屏蔽結(jié)構(gòu)有效提高電磁屏蔽效能，減小爆炸場電磁輻射對測試信號的影響。

由3種情況超壓信號波形看，使用雙層屏蔽結(jié)構(gòu)的裝置由于受到強(qiáng)電磁場環(huán)境干擾小，信息熵是三者最大的，超壓峰值并沒有受到電磁干擾的影響。對電磁屏蔽性能要求高的測試裝置，使用坡莫合金等高磁導(dǎo)率低密度材料，通過雙層屏蔽結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可以保證質(zhì)量和體積一定的情況下，減小強(qiáng)電磁場干擾。