水下电场天线横向振动及其诱发电磁噪声研究

朱四华,朱学山,林洪文,胡昊

(1.海军航空工程学院电子信息工程系,山东烟台 264001;2.中国人民解放军91329部队,山东威海 264200)

水下电场天线横向振动及其诱发电磁噪声研究

朱四华1,朱学山2,林洪文1,胡昊1

(1.海军航空工程学院电子信息工程系,山东烟台 264001;2.中国人民解放军91329部队,山东威海 264200)

横向振动作为水下电场天线在海水随机脉动应力作用下的主要振源,其诱发的电磁噪声在长波通信电磁噪声中占主导作用,直接影响长波通信深度和质量。建立了天线的横向振动模型,导出了天线的随机振动响应,分析了横向振动诱发电磁噪声的产生机理及特性,并给出了电磁噪声的仿真结果及结果分析。研究结果表明:采用平板脉动压力下Bernoulli梁的随机振动模型计算振动诱发电磁噪声是可行且准确的,可以根据横向振动诱发电磁噪声分析结果优化天线结构以减小振动感应噪声。

通信技术;长波通信;拖曳天线;横向振动;电磁噪声

0 引言

水下电场天线的接收性能由天线及艇体的本地噪声决定,天线在海水随机脉动应力作用下的横向振动、纵向振动及扭转振动,通过切割地磁场产生振动感应电磁噪声,此类电磁噪声直接关系着长波通信深度和质量[1-5]。横向振动作为主要振源,其诱发的电磁噪声在天线本地噪声中占主导作用。

Burrows[3-4]、刘海泉等[5]讨论了水下拖曳电场天线的运动感应噪声,给出了流体脉动压力的随机谱密度函数,得到了横向振动运动感应噪声的实验与仿真结果。Burrows还对水下磁场天线的各种振动机制进行了分析,得到了运动感应噪声的定性分析[6];文献[7-8]分析了磁场天线扭转振动诱发电磁噪声的机理特性,并给出了仿真结果及分析。横向振动诱发电磁噪声研究基本上基于文献[4]的研究成果[9-12],没有形成包含天线振动模型、噪声形成机理、噪声量级大小和影响分析的系统性研究成果。

建立水下电场天线横向振动模型,导出天线随机振动响应,分析横向振动诱发电磁噪声形成机理及特性,并给出电磁噪声的仿真结果与分析。现有文献还没有关于天线湍流边界层脉动应力测量的直接结果,因此本文采用Barkwell研究声纳噪声时的平板表面脉动压力数据[13],来近似横向激励源[14]。

1 天线横向振动模型

将天线横向振动模型考虑为随机脉动压力作用下的梁,如图1所示,其动力学方程如(1)式所示。

图1 天线横向振动模型Fig.1 Lateral vibration model of antenna

式中:EI为弯曲硬度;T(z)为天线非均匀张力;mt为天线单位长度横向振动有效质量;f(z,t)为天线所受横向激励;y(z,t)为天线在海水随机脉动压力作用下的振动响应。

在研究天线上 z=z0处集中力所激励的振动时,可考虑z=z0的有限区域。该区域内天线张力为近似均匀,设该张力为T(z0),则(1)式可写成

2 横向振动感应噪声机理分析

对于电场天线,天线在脉动压力f(z,t)作用下的瞬时横向位移为y(z,t).在yz平面内,地磁场有两个分量By和Bz,Bz是与天线横向位移相垂直的地磁场分量;μ(z)=A(z)N(z)代表天线灵敏度曲线,其中A(z)为天线线圈面积,N(z)为线圈匝数密度。根据电磁感应定律,电场天线总的横向振动感应噪声电压为

式中:U(k)为μ(z)的功率谱密度。对于电场天线,天线有效长度 le即两电极之间距离[5],故有le=2l.由噪声电压功率谱除以天线有效长度平方,即可得电场天线横向振动感应噪声的功率谱密度Se(ω)为

(10)式表明,电场天线横向振动感应噪声功率谱与电缆直径相关,一旦电缆直径确定,则mt也确定。再考虑到随机脉动激励影响,电场天线横向振动感应噪声功率谱仅与天线长度和潜艇航速有关。

3 横向振动感应噪声结果分析

欲确定横向振动感应噪声在振动诱发噪声中的作用,需要对不同天线长度、不同航速条件下的天线横向振动感应噪声进行仿真,并将仿真结果和实验结果进行比较分析,以验证所得出的机理分析。

对于电场天线,在(10)式的天线横向振动感应噪声功率谱Se(ω)中,包含电缆横向力分布的二维谱密度Sf(k,ω),本文采用文献[14]推导出的二维谱密度Sf(k,ω),如下:

由文献[4]、文献[5]所得的Sf(k,ω)与(11)式均不相同。采用(11)式、文献[4]、文献[5]的Sf(k,ω),分别将φ(ω)、Uc(ω)代入Sf(k,ω),mt= ρπa2+ρπa2b.则由(10)式得到的电场天线横向振动感应噪声功率谱分别为:

仿真参数:地磁场分量Bz=50 uT,电缆直径a= 0.008 25 m,电缆浮力系数b=0.75,天线长度l= 300 m,电缆密度ρ=0.8 g/cm3,湍流边界层位移厚度δ*=a/3.在不同航速下,由(11)式、文献[4]、文献[5]得到电场天线横向振动感应噪声功率谱Se(ω)仿真结果,如图2所示。

图2 电场天线横向振动感应噪声的仿真结果Fig.2 Simulation result of lateral vibration-induced noise for E-field antenna

为了验证(11)式计算得到的横向振动感应噪声的准确性,图2中也反映了300 m长E场天线的横向振动感应噪声实验结果[3]。图中,曲线由下至上分别表示航速8 kn、14 kn.

为了便于比较不同条件下的电场天线横向振动感应噪声功率谱结果,在两种潜艇航速下,得到了不同频率时横向振动感应噪声功率谱的仿真数据与实验数据[3],分别见表1和表2.

通过分析图2,并比较表1和表2的数据可以看出,在电场天线横向振动感应噪声的计算结果中,采用(11)式的随机脉动压力谱所得到的计算结果误差最小。在8 kn航速下,Burrows的计算结果[4]与实验结果的误差最大时(20 Hz)可相差21.12 dB,采用(11)式时仅相差 18.61 dB,误差的差距为2.51 dB,此时文献[5]的计算结果误差接近本文的计算误差,但比本文的计算误差大0.72 dB;随着极低频工作频率的提高,Burrows的计算结果[4]误差逐渐越小,但始终比本文的结果误差大,在高频段比较接近,而文献[5]的计算结果误差却是逐渐增大,在160 Hz时与本文的计算误差相差2.58 dB;随着潜艇航速的提高,3种计算结果的误差均会提高,但由(11)式得到的结果仍优于Burrows[4]与文献[5]的计算结果。由分析结果可知,所得的随机脉动压力谱公式无论是在低频工作段还是高频工作段,计算误差均小于Burrows[4]的和文献[5]的,Burrows的计算公式在高频段比较准确,而文献[5]的计算公式比较适用于低频段。

表1 电场天线横向振动感应噪声功率谱(航速8 kn)Tab.1 Lateral vibration-induced noise power spectra of electric field antenna for the towed speed of 8 knots

表2 E场天线横向振动感应噪声功率谱(航速14 kn)Tab.2 Lateral vibration-induced noise power spectra of electric field antenna for the towed speed of 14 knots

分析上述现象的原因,(11)式中多了附加项,且与文献[5]的计算结果相差系数1.82以及指数项的0.55,因而由(11)式的流体脉动压力谱能给出更准确的电磁噪声结果,文献[5]中的计算结果类似于Burrows的推导结果[4],但考虑了机械振动因子。本文也可以在公式中增加该项内容,但考虑到对于长天线来说,此项噪声功率很小,故为了使问题更清晰,在推导结果中略去了此项。

通过仿真分析并将仿真结果与实验结果进行比较,不仅验证了电场和磁场天线的机理分析,同时也证明,由于(11)式的随机脉动压力谱误差小,因而相对于Burrows[4]与文献[5]的计算结果,所得的横向振动感应噪声更接近实艇实验结果。研究结果为后续进一步分析电场和磁场天线的横向振动感应噪声奠定了基础。

4 结论

通过建立天线在随机脉动压力作用下的横向振动模型,计算了电场天线的横向振动感应噪声,给出了电场天线横向振动感应噪声的产生机理,研究了横向振动感应电磁噪声特性,并对仿真计算结果进行了分析。形成了比较完善的横向振动感应噪声分析计算方法。研究结论为:

1)在计算电场天线的横向振动感应噪声中,基于Bernoulii梁的振动模型假设,且采用平板压力模型对随机激励进行近似,是可行且准确的。基于本文的天线表面脉动压力功率谱密度拟合计算公式,得到了电场天线横向振动感应噪声结果,与美国麻省理工学院林肯实验室Burrows的实验结果[4]吻合,比以往的相关计算结果具有更高的精度,且模型清晰,公式使用方便,使得长波通信横向振动的研究中,只需直接利用该公式估计噪声谱密度即可,而不必再去处理繁琐的流体力学问题。

2)对电场天线的横向振动感应噪声进行了仿真分析。不同天线长度、不同航速下的横向振动分析表明,在实际的接收天线设计中,在已知天线基本参数的情况下,根据系统实际工作频率,选择适当的天线长度可以尽量减小横向振动感应噪声,从而减小长波通信系统的发射功率,并提高水下收信深度和通信质量。所得结果对于进一步研究其他振动模式下的振动感应噪声具有一定的参考价值。

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Research on Lateral Vibration and Vibration-induced Electromagnetic Noise of Underwater Electric Field Antenna

ZHU Si-hua1,ZHU Xue-shan2,LIN Hong-wen1,HU Hao1
(1.Department of Electronic Information Engineering,Naval Aeronautical and Astronautical University, Yantai 264001,Shandong,China;2.Unit 91329 of PLA,Weihai 264200,Shandong,China)

Lateral vibration is the dominating vibration source caused by seawater ripples for the underwater electric field antenna,and the lateral vibration-induced electromagnetic(EM)noise is dominant in EM noises for long wave communication,which has a significant influence on the receiving depth and quality of long wave communication.The lateral vibration model of towed antenna is established,and the response of lateral stochastic vibration is educed.The generating mechanism and characteristic of lateral vibration-induced EM noise are analyzed.Furthermore,the simulation and analytic results of EM noise are given.All the results indicate that the calculation of vibration-induced EM noise under the assumption of Bernoulli beam and the excitation of stochastic fluctuating stresses is feasible and exact,and the antenna configuration is optimized and the vibration-induced EM noise is decreased based on the results of lateral vibration-induced EM noise.

communication technology;long wave communication;towed antenna;lateral vibration; EM noise

TN827

A

1000-1093(2014)07-1060-05

10.3969/j.issn.1000-1093.2014.07.019

2013-09-08

朱四华(1979—),男,讲师。E-mail:cinly_zhu@163.com