直九直升机机内通话噪音问题分析*

李继国，王宝林

(中航工业哈飞飞机设计研究所， 黑龙江 哈尔滨 150066)

直九直升机机内通话噪音问题分析*

李继国，王宝林

(中航工业哈飞飞机设计研究所， 黑龙江 哈尔滨 150066)

直九直升机存在交流用电设备干扰机内通话问题，现象为在耳机中可以听到交流噪声。为了解决该问题，文中对机内通话器的电源电路和音频电路进行了分析，计算了共阻耦合、电容耦合、电感耦合分量，根据计算分析结果确定用隔离和减小共地电阻的方法来解决该问题。实施结果表明该方法可以有效解决交流电干扰机通问题。文中指出对于机通等低频小信号模拟设备电路，共阻耦合和电感耦合是主要的干扰路径，在设计中应采取隔离和减小共阻等措施来减小干扰。

电磁兼容；电阻耦合； 电容耦合； 电感耦合

引 言

在直升机电磁兼容设计中，主要关注两方面的问题：高频辐射干扰和低频传导干扰。交流干扰机通引起噪声问题是低频传导干扰中比较典型的问题，也是各型直升机和飞机设计中比较关注的问题[1]。本文通过分析、测试和解决直九直升机中存在的交流用电设备干扰机内通话器问题，总结出机通装机设计中应注意的事项和有效的电磁兼容防护设计方法。

1 直九直升机交流干扰机通问题分析

1.1 问题现象

在直九直升机中存在交流干扰机通问题，现象为在交流用电负载工作情况下，在机通耳机中有交流噪音或较强的背景噪音。

1.2 原理分析

机内通话器是音频转换设备，其功能是将语音信号转换为电信号，将电信号转换为语音信号，响应频率为300～5 000 Hz。机载交流电的工作频率为400 Hz，在机内通话器的响应频率范围内。机内通话器和交流用电设备在直升机中布置和导线敷设过程中会产生共阻耦合干扰、导线间的电感耦合干扰和电容耦合干扰。

1.2.1 共阻耦合原理分析[2]

共阻耦合的原理如图1所示。 当干扰电路的电流I1流经公共阻抗R2时，在敏感电路中形成一个电压V3，V3=I1R2。引起这种耦合的公共阻抗可以是包括结构件在内的任何电路元件，典型的包括公共地回路阻抗和公共电源阻抗。

图1 共阻耦合原理图

1.2.2 电感耦合原理分析[2-7]

信号线的近场电感耦合如图2所示。流经长导线的交变电流在矩形回路产生的感应电动势为

V2=MdI1/dt

(1)

式中：V2为感应回路感应电压；t为时间；M为两电路互感。

(2)

式中：μ0为自由空间磁导率，μ0=4π×10-7；l为矩形回路的长度；a、b分别为长导线距矩形回路的近边和远边距离。

图2 信号线的电感耦合器

1.2.3 电容耦合原理分析[3-4]

由于两电路间存在分布电容，也存在电容耦合，因此感应回路感应电压为

(3)

式中，XC为两电路互容抗，XC=1/jωC，ω为角频率，C为电容。当没有接地板时，

(4)

式中：l12为两回路一起走线的长度；r1为一回路导线半径；r2为二回路导线半径；ε0为自由空间的导电率；d12为耦合电路间的距离。电容耦合如图3所示。

图3 信号线的电容耦合图

1.3 直九直升机交流干扰机通路径分析

1.3.1 共阻耦合干扰分析

在直九直升机中机内通话系统与交流用电设备没有直接的交联关系，而机通的电源电路和各电台等音频输入通道电路与交流电源电路之间存在共地电路，其电缆敷设如图4所示。在机通的电源电路采取了滤波措施，其滤波电路如图5所示。该滤波电路具有一定的滤除400 Hz 交流干扰的作用，可以滤除机壳接地点到电源汇流条之间引入的工阻干扰。

图4 机通与交流共地敷设示意图

图5 电源滤波电路图

1.3.2 电感耦合干扰分析[8-9]

(1)耳机话筒与控制盒间的电路

直九直升机上采用的是动圈式话筒，将语音信号转换成870 μV的电信号，通过双绞屏蔽线平衡输出给控制盒。该段线路与其它线路不存在共地、共阻、共电源问题。该线路采用的是双绞屏蔽线路，其连线原理如图6所示。

图6 机通耳机连接示意图

从图2和式(1)可以看出，2根导线距离干扰线的距离b和a近似相等，而400 Hz交流用电设备的电流变化比较平稳，综合以上因素计算可得电感耦合应在微伏以下量级，可以忽略。

直九直升机上控制盒到耳机的导线也是双绞屏蔽线，采用平衡输出的方式，与耳机线一样具有很强的抗干扰性能，也不应存在电感耦合问题。

(2)控制盒与接线盒间的电路

控制盒与接线盒间的电路包括控制盒输出线和接线盒输出线2部分。控制盒输出线包括机内通话输出信号电路和发话输出信号电路，输出的信号为由话筒信号放大生成的0.5 V左右的音频信号。

控制盒与接线盒间的电路采用单芯屏蔽线，其回路地线是控制盒到接线盒的电源地线，在接线盒端通过机壳地与机体相连，控制盒与接线盒间连线如图7所示。

图7 控制盒与接线盒间连线示意图

在直九系列机中，很多设备(如磁罗盘系统，航姿系统及自动驾驶仪)使用26 V、400 Hz的交流电，并且这些设备的交流电采用单芯导线，其地线采用混合地、机壳地等方式。该段机通线路与交流线间可能存在近场耦合问题，其耦合原理图如图8所示。

图8 耦合原理图

单位长度的互感为

(5)

式中：d为交流线路A导线至机通线路A导线的距离；d1为交流线路B导线至机通线路B导线的距离；f为交流线路A导线至机通线路B导线的距离；f1为交流线路B导线至机通线路A导线的距离。

从式(5)可以看出，如果ff1相对于dd1非常大，将产生很大的互感，根据式(1)，将在机通回路中产生很大的感应电压。发射时，该电压经电台放大，通过机通接线盒接收匹配，送给控制盒再到耳机，产生噪音；在机内通话时，该电压经机通接线盒的混合放大器放大，送给控制盒再到耳机，产生噪音。由于是穿过闭合线路电磁场引起的感应电压，因此对单芯的屏蔽几乎不起作用。

接线盒的输出线包括各信道音频输出、呼叫音频输出和机内通话音频输出，输出的信号为7 V左右的音频信号，其地线为接线盒和控制盒之间的电源地线。其干扰原理如图7和式(5)所示，同样会在音频信号上叠加干扰噪音。

(3)接线盒与各用户设备间的电路

接线盒与各用户设备间的电路包括接线盒到各电台的音频输出线和各电台及导航设备到接线盒的音频输出线。接线盒到各电台的音频输出线采用平衡输出模式，如果各电台在收发机内部做非平衡处理，外部连线采用双绞屏蔽线，其抗干扰能力也会很强，现在比较新的电台均采用该设计方法；各电台及导航设备到接线盒的音频输出线也多采用平衡输出模式，回线在接线盒端接公共音频地后接机壳地，抗干扰能力较强。

(4)电源电路

机通接线盒的电源电路采取了滤波措施，其滤波电路如图5所示。该滤波电路具有一定的滤除400 Hz 交流干扰的作用。

接线盒输出到机通控制盒的电源线路采用普通单芯线，会引入电感耦合，其干扰模式如图8所示。

1.3.3 电容耦合干扰分析

直九直升机机内通话器的音频线路的输出电阻在600 Ω左右，音频响应频率为300～5 000 Hz，按d12为r1(r2)的2倍计算，根据式(3)，可以简化为

(6)

式中:l12为干扰线与音频线中非屏蔽部分共同走线的长度，机通的音频线均采用了屏蔽线，大大减小了l12，从而使互电容很小，电容耦合可以忽略。

2 干扰测量

为了解决交流干扰机通问题，对系统噪音、音频通道1的音频噪音进行了测量，测量结果见表1。

表1 音频通道1噪音测量表

测量结果表明：在该测试状态下，机通对标准音频放大2倍，交流噪音中2/3来自通道1的音频输入，包括共阻耦合干扰和电感耦合干扰，另1/3来自机通内部线路感应的噪音，包括交流电对机通内部线路的电感耦合和电容耦合。

调节各通道的标准音频输出，使其相同，测量并对比各音频通道的噪音，测量结果见表2。

表2 各通道噪音测量表

测量结果表明：在该测试状态下，各通道的噪音音频输入有一定的差别，这是由各音频输入通道与交流电源电缆间距离差别导致的电感耦合差别引起的。差别较小表明电感耦合干扰量较小，而共阻耦合干扰量较大。

3 解决方法及结果测量

3.1 减小共阻耦合法

干扰测量结果表明共阻干扰所占比重较大，因而首先减小共阻干扰，其实施的原理如图9所示。改进后机通的音频回路与交流回路之间不存在共地关系，另外还减小了机通电源与交流电源之间的共阻。通过测量耳机中噪音的方法进行验证，测量的噪音电平为15 mV。

图9 减小共阻耦合示意图

3.2 减小电感耦合法

单独敷设机通导线可以减小机通导线间的距离，并实现与交流线的距离隔离，即增大图2中的a，减小b，增大图8中的d和d1，减小f和f1，根据式(1)及互感计算，可以减小干扰。通过测量耳机中噪音的方法进行验证，测量的噪音电平为11 mV，耳机中的噪音基本消除。

4 结束语

本文通过对直九直升机交流用电设备干扰机内通话器问题的研究，得出了低频干扰的主要耦合路径为共阻耦合和电感耦合的结论，确定了通过减小共阻和减小敏感线路的回路面积并增大与干扰电路距离隔离的方法解决低频干扰的基本思路，在直九直升机上实施解决了交流用电设备干扰机内通话器问题，测量结果也准确地反映了各方法的有效性。

在直升机或飞机的设计中，线路共地和近距离敷设是共性问题，并不能被彻底消除。在线路设计中需要对线路进行详细分析，确定耦合对进行针对性的设计来减小电磁干扰问题。

在电磁兼容设计和研究中，总是关注设备本身的电磁兼容性能，要求所有设备的电磁兼容性能都满足GJB151A的要求。这对于很多机载设备并不现实，如机通等小信号设备是很难满足敏感度的要求的，而在载机电磁兼容设计中总是通过屏蔽手段来解决问题，实际上在较低频段，屏蔽对电磁干扰并不能起到很好的抑制作用。本文通过对直九直升机交流用电设备干扰机内通话器问题的研究突出了减小共阻和导线隔离的重要性，这对于复合材料应用越来越多的直升机或飞机的电磁兼容设计具有很重要的指导作用。

[1] 涂顺国. 飞机通信系统内的中低频干扰抑制研究[J]. 南昌航空大学学报, 2012(3): 103-108.

[2] 航空工业部电磁兼容性研究组. 电磁兼容性工程设计指南[S]. 北京：航空工业部第301研究所，1983.

[3] 陈穷, 蒋金兴. 电磁兼容性工程设计手册[M]. 北京：国防工业出版社,1993.

[4] 刘鹏程, 邱扬. 电磁兼容原理及技术[M]. 北京：高等教育出版社, 1993.

[5] 胡世祥. 电磁兼容技术[M]. 北京：国防工业出版社, 2005.

[6] 白同云, 吕晓德. 电磁兼容设计[M]. 北京：北京邮电大学出版社, 2001.

[7] 何宏, 张宝峰. 电磁兼容与电磁干扰[M]. 北京：国防工业出版社, 2007.

[8] 顾海林. 电磁干扰与电磁兼容性技术综述[J]. 科技创新导报, 2008(28): 89-89,91.

[9] 赵兴录. 系统间电磁兼容分析预测[J]. 航天电子对抗, 2009(1): 58-61.

李继国(1971-)，男，高级工程师，主要从事航空无线电系统设计工作。

王宝林(1981-)，男，工程师，主要从事航空无线电系统设计工作。

Analysis of Intercommunication System Noise in Z-9 Helicopters

LI Ji-guo，WANG Bao-lin

(AircraftR&DInstituteofAVICHAIG,Harbin150066,China)

The AC noise in the intercommunication system is a problem of the Z-9 helicopters, with the phenomenon of boring noise in the headphone. In order to solve the problem, the wires of the power and the voice in the intercommunication system are analyzed, and the quantity of resistor coupling, capacitive coupling and inductive coupling are calculated. The methods of isolation and reducing the sharing resistance are used to solve the problem. The result shows that the methods can solve the problem effectively. It is pointed out that the major interferential path of lower frequency circuit is the resistor coupling and the inductive coupling and that electromagnetic interference should be reduced by isolation wires and decreasing the sharing resistance in the design.

electromagnetic compatibility；resistor coupling；capacitive coupling；inductive coupling

2012-12-10

TN911.4

A

1008-5300(2013)03-0013-04