艦船低頻天線隔振設(shè)計(jì)及驗(yàn)證

余祖耀，陳書朋，毛文敏

(華中科技大學(xué)，湖北 武漢 430074)

0 引 言

海水作為一種導(dǎo)電媒質(zhì)，對(duì)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(lǐng)域具有重要應(yīng)用前景。低頻電磁波經(jīng)海水衰減，信號(hào)十分微弱。因此，其接收設(shè)備高靈敏低頻磁性天線[1]必須具有很高的靈敏度及很強(qiáng)的抗干擾能力。

但是，高靈敏低頻磁性天線對(duì)磁場(chǎng)十分敏感，隨艦船振動(dòng)會(huì)切割磁力線形成感應(yīng)電流，使高靈敏磁性天線的信噪比降低、產(chǎn)生信號(hào)失真，甚至無法完成正確的通信任務(wù)，其中以垂向振動(dòng)影響最為顯著。消除低頻磁性天線的運(yùn)動(dòng)感應(yīng)噪聲具有十分重要的意義。由于低頻磁性天線對(duì)電磁場(chǎng)的敏感度過高，因此必須選用一種合適的、不會(huì)產(chǎn)生多余電磁噪聲的減振方式對(duì)高靈敏低頻磁性天線安裝位置的振動(dòng)進(jìn)行衰減。

隔振分為被動(dòng)隔振和主動(dòng)隔振[2–5]，前者依賴元器件的剛度、阻尼特性實(shí)現(xiàn)隔振，而主動(dòng)隔振則依賴主動(dòng)驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)力從而達(dá)到抑制振動(dòng)的目的。國內(nèi)外研究表明[6–7]，被動(dòng)隔振通過增加層數(shù)的方式能夠有效地增強(qiáng)隔振性能，但當(dāng)層數(shù)增加時(shí)系統(tǒng)的穩(wěn)定性會(huì)下降，且較主動(dòng)隔振技術(shù)而言，被動(dòng)隔振的無源特性不會(huì)對(duì)設(shè)備本身產(chǎn)生額外電磁干擾。

本文從磁性天線運(yùn)動(dòng)感應(yīng)噪聲產(chǎn)生原理出發(fā)，分析振動(dòng)對(duì)通信信號(hào)的影響，并采取雙層隔振方式實(shí)現(xiàn)天線振動(dòng)抑制，通過仿真對(duì)比掌握系統(tǒng)隔振特性，然后從有限元仿真及試驗(yàn)的角度出發(fā)完成隔振系統(tǒng)性能驗(yàn)證。

1 天線振動(dòng)分析及建模

1.1 艦船天線運(yùn)動(dòng)感應(yīng)噪聲原理

艦船低頻磁性天線產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)感應(yīng)噪聲的原因是天線振動(dòng)引起磁場(chǎng)與天線實(shí)際軸線之間夾角θ的變化，產(chǎn)生了隨時(shí)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(fā)噪聲信號(hào)電壓，其原理如圖1所示[8]。

圖 1 運(yùn)動(dòng)感應(yīng)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(shù)，磁通量的變化率為感應(yīng)電壓，即由振動(dòng)產(chǎn)生的噪聲電壓為：

式中運(yùn)動(dòng)感應(yīng)噪聲電壓大小與磁性天線的振動(dòng)強(qiáng)度息息相關(guān)，因此采取適宜的隔振方法，減弱通信天線的振動(dòng)強(qiáng)度，可以減小天線運(yùn)動(dòng)感應(yīng)電壓，提高通信系統(tǒng)的信噪比

1.2 低頻天線被動(dòng)隔振建模

多級(jí)被動(dòng)隔振技術(shù)在獲取優(yōu)異隔振性能的同時(shí)意味著需要增加多個(gè)沒有實(shí)際用途的中間層質(zhì)量，因此需要綜合掌握系統(tǒng)的隔振特性，從而獲得最優(yōu)設(shè)計(jì)結(jié)果，理想情形下，多級(jí)被動(dòng)隔振系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型如圖2所示，可以得到多級(jí)被動(dòng)隔振系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方程表達(dá)式：

其中M，C，K分別為系統(tǒng)的質(zhì)量矩陣、阻尼矩陣和剛度矩陣。當(dāng)隔振級(jí)數(shù)n=2時(shí)，為雙級(jí)隔振系統(tǒng)，即

圖 2 多級(jí)被動(dòng)隔振系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型Fig. 2 Multi-stage passive vibration isolation system dynamics model

雙級(jí)隔振系統(tǒng)幅值衰減的無量綱表達(dá)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(guī)律。

根據(jù)圖中特性曲線可以得出以下結(jié)論：

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

2）增加上、下級(jí)阻尼比能夠有效地抑制共振，降低系統(tǒng)發(fā)生共振時(shí)的振幅，但在隔振頻段內(nèi)，上下級(jí)阻尼的增加會(huì)對(duì)系統(tǒng)幅值衰減性能產(chǎn)生負(fù)面影響；

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

2 雙級(jí)被動(dòng)隔振的結(jié)構(gòu)有限元仿真

2.1 隔振系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)

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(nèi)固連著金屬框架，能夠保證足夠的結(jié)構(gòu)強(qiáng)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(tǒng)參數(shù)影響特性Fig. 3 System parameter influence characteristics

雙級(jí)隔振系統(tǒng)中各自由度之間的耦合嚴(yán)重影響系統(tǒng)的隔振性能，一般在隔振元件安裝時(shí)應(yīng)滿足對(duì)稱于中心主慣性坐標(biāo)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(jí)之間的隔振元件應(yīng)該不對(duì)齊布置從而能夠減小傳遞到隔振對(duì)象的振動(dòng)。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(jié)構(gòu)如圖4所示。

2.2 基于Ansys的結(jié)構(gòu)有限元仿真

Ansys位移諧響應(yīng)分析可以確定線性結(jié)構(gòu)在承受簡諧載荷時(shí)的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)，分析過程中只計(jì)算結(jié)構(gòu)的穩(wěn)態(tài)受迫振動(dòng)，不考慮激振開始時(shí)的瞬態(tài)振動(dòng)，本文位移諧響應(yīng)分析通過0～150 Hz內(nèi)取15個(gè)頻率點(diǎn)在給定位移激勵(lì)下計(jì)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(yàn)證。各個(gè)頻率點(diǎn)仿真計(jì)算結(jié)果擬合曲線如圖5所示。

圖 4 隔振樣機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 4 Vibration isolation prototype structure diagram

圖 5 幅值衰減有限元仿真結(jié)果Fig. 5 Amplitude attenuation finite simulation results

根據(jù)圖示結(jié)構(gòu)有限元仿真結(jié)果可以得到以下結(jié)論：

1）共振頻段內(nèi)，振動(dòng)抑制作用較差，并在第1個(gè)諧振頻率，振幅達(dá)到最大，但此時(shí)共振振幅不超過結(jié)構(gòu)允許最大幅值，滿足隔振需求；

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

3 低頻天線隔振系統(tǒng)試驗(yàn)測(cè)試

為進(jìn)一步明確系統(tǒng)隔振性能，在仿真基礎(chǔ)上搭建如圖6所示雙級(jí)被動(dòng)隔振結(jié)構(gòu)試驗(yàn)裝置。

試驗(yàn)基本流程為計(jì)算機(jī)給出振動(dòng)控制指令使振動(dòng)臺(tái)產(chǎn)生不同的振動(dòng)激勵(lì)，并完成定頻試驗(yàn)、掃頻試驗(yàn)測(cè)試。磁性天線上從固定端到中心處等距分布測(cè)點(diǎn)1～測(cè)點(diǎn)4，加速度傳感器分別測(cè)量振動(dòng)臺(tái)、天線的加速度響應(yīng)，經(jīng)過信號(hào)調(diào)理以及數(shù)據(jù)采集設(shè)備后，傳遞到計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和分析，通過對(duì)比并計(jì)算加速度傳感器測(cè)量信號(hào)幅值差異，驗(yàn)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(dòng)試驗(yàn)需要在滿足表1所示定頻、掃頻國軍標(biāo)GJB150.16A-2009[10]振動(dòng)試驗(yàn)條件要求下定義裝置激勵(lì)條件。如圖7為不同測(cè)點(diǎn)幅值衰減測(cè)試性能曲線。

圖 6 試驗(yàn)測(cè)試裝置Fig. 6 Test device

表 1 國家標(biāo)準(zhǔn)的振動(dòng)試驗(yàn)條件Tab. 1 National standard vibration test conditions

圖 7 不同測(cè)點(diǎn)幅值衰減測(cè)試性能Fig. 7 Different measurement points amplitude attenuation test performance

從圖中的測(cè)試性能可以得到以下結(jié)論：

1）該隔振設(shè)計(jì)合理可靠，工作頻段內(nèi)隔振樣機(jī)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(shí)能夠達(dá)到31 dB；

2）共振區(qū)域內(nèi)，測(cè)試曲線近似重合，但在工作頻段內(nèi)，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(yōu)于磁性天線中心處，且在工作頻段內(nèi)存在額外的諧振點(diǎn)此時(shí)天線剛性對(duì)性能的影響最為顯著。

4 總 結(jié)

本文在掌握天線振動(dòng)影響規(guī)律的基礎(chǔ)上，采用雙級(jí)隔振方式完成了低頻磁性天線隔振設(shè)計(jì)研究，其仿真性能在工作頻段內(nèi)達(dá)到至少25 dB，然而在實(shí)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(lì)頻率升高，隔振元件會(huì)硬化，剛度增加，因此實(shí)際測(cè)試往往達(dá)不到仿真預(yù)估值。該隔振裝置在工作頻段內(nèi)實(shí)際能夠達(dá)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(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

然而仿真及試驗(yàn)結(jié)果中，結(jié)構(gòu)剛性對(duì)系統(tǒng)幅值衰減性能的影響十分顯著，在后續(xù)工作中，需利用有限元仿真完成系統(tǒng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化，進(jìn)一步獲得更佳的隔振性能，從而更加完善解決艦船運(yùn)動(dòng)過程中天線信噪比較低的問題。