水下電場天線橫向振動及其誘發電磁噪聲研究

朱四華,朱學山,林洪文,胡昊

(1.海軍航空工程學院電子信息工程系,山東煙臺 264001;2.中國人民解放軍91329部隊,山東威海 264200)

水下電場天線橫向振動及其誘發電磁噪聲研究

朱四華1,朱學山2,林洪文1,胡昊1

(1.海軍航空工程學院電子信息工程系,山東煙臺 264001;2.中國人民解放軍91329部隊,山東威海 264200)

橫向振動作為水下電場天線在海水隨機脈動應力作用下的主要振源,其誘發的電磁噪聲在長波通信電磁噪聲中占主導作用,直接影響長波通信深度和質量。建立了天線的橫向振動模型,導出了天線的隨機振動響應,分析了橫向振動誘發電磁噪聲的產生機理及特性,并給出了電磁噪聲的仿真結果及結果分析。研究結果表明:采用平板脈動壓力下Bernoulli梁的隨機振動模型計算振動誘發電磁噪聲是可行且準確的,可以根據橫向振動誘發電磁噪聲分析結果優化天線結構以減小振動感應噪聲。

通信技術;長波通信;拖曳天線;橫向振動;電磁噪聲

0 引言

水下電場天線的接收性能由天線及艇體的本地噪聲決定,天線在海水隨機脈動應力作用下的橫向振動、縱向振動及扭轉振動,通過切割地磁場產生振動感應電磁噪聲,此類電磁噪聲直接關系著長波通信深度和質量[1-5]。橫向振動作為主要振源,其誘發的電磁噪聲在天線本地噪聲中占主導作用。

Burrows[3-4]、劉海泉等[5]討論了水下拖曳電場天線的運動感應噪聲,給出了流體脈動壓力的隨機譜密度函數,得到了橫向振動運動感應噪聲的實驗與仿真結果。Burrows還對水下磁場天線的各種振動機制進行了分析,得到了運動感應噪聲的定性分析[6];文獻[7-8]分析了磁場天線扭轉振動誘發電磁噪聲的機理特性,并給出了仿真結果及分析。橫向振動誘發電磁噪聲研究基本上基于文獻[4]的研究成果[9-12],沒有形成包含天線振動模型、噪聲形成機理、噪聲量級大小和影響分析的系統性研究成果。

建立水下電場天線橫向振動模型,導出天線隨機振動響應,分析橫向振動誘發電磁噪聲形成機理及特性,并給出電磁噪聲的仿真結果與分析。現有文獻還沒有關于天線湍流邊界層脈動應力測量的直接結果,因此本文采用Barkwell研究聲納噪聲時的平板表面脈動壓力數據[13],來近似橫向激勵源[14]。

1 天線橫向振動模型

將天線橫向振動模型考慮為隨機脈動壓力作用下的梁,如圖1所示,其動力學方程如(1)式所示。

圖1 天線橫向振動模型Fig.1 Lateral vibration model of antenna

式中:EI為彎曲硬度;T(z)為天線非均勻張力;mt為天線單位長度橫向振動有效質量;f(z,t)為天線所受橫向激勵;y(z,t)為天線在海水隨機脈動壓力作用下的振動響應。

在研究天線上 z=z0處集中力所激勵的振動時,可考慮z=z0的有限區域。該區域內天線張力為近似均勻,設該張力為T(z0),則(1)式可寫成

2 橫向振動感應噪聲機理分析

對于電場天線,天線在脈動壓力f(z,t)作用下的瞬時橫向位移為y(z,t).在yz平面內,地磁場有兩個分量By和Bz,Bz是與天線橫向位移相垂直的地磁場分量;μ(z)=A(z)N(z)代表天線靈敏度曲線,其中A(z)為天線線圈面積,N(z)為線圈匝數密度。根據電磁感應定律,電場天線總的橫向振動感應噪聲電壓為

式中:U(k)為μ(z)的功率譜密度。對于電場天線,天線有效長度 le即兩電極之間距離[5],故有le=2l.由噪聲電壓功率譜除以天線有效長度平方,即可得電場天線橫向振動感應噪聲的功率譜密度Se(ω)為

(10)式表明,電場天線橫向振動感應噪聲功率譜與電纜直徑相關,一旦電纜直徑確定,則mt也確定。再考慮到隨機脈動激勵影響,電場天線橫向振動感應噪聲功率譜僅與天線長度和潛艇航速有關。

3 橫向振動感應噪聲結果分析

欲確定橫向振動感應噪聲在振動誘發噪聲中的作用,需要對不同天線長度、不同航速條件下的天線橫向振動感應噪聲進行仿真,并將仿真結果和實驗結果進行比較分析,以驗證所得出的機理分析。

對于電場天線,在(10)式的天線橫向振動感應噪聲功率譜Se(ω)中,包含電纜橫向力分布的二維譜密度Sf(k,ω),本文采用文獻[14]推導出的二維譜密度Sf(k,ω),如下:

由文獻[4]、文獻[5]所得的Sf(k,ω)與(11)式均不相同。采用(11)式、文獻[4]、文獻[5]的Sf(k,ω),分別將φ(ω)、Uc(ω)代入Sf(k,ω),mt= ρπa2+ρπa2b.則由(10)式得到的電場天線橫向振動感應噪聲功率譜分別為:

仿真參數:地磁場分量Bz=50 uT,電纜直徑a= 0.008 25 m,電纜浮力系數b=0.75,天線長度l= 300 m,電纜密度ρ=0.8 g/cm3,湍流邊界層位移厚度δ*=a/3.在不同航速下,由(11)式、文獻[4]、文獻[5]得到電場天線橫向振動感應噪聲功率譜Se(ω)仿真結果,如圖2所示。

圖2 電場天線橫向振動感應噪聲的仿真結果Fig.2 Simulation result of lateral vibration-induced noise for E-field antenna

為了驗證(11)式計算得到的橫向振動感應噪聲的準確性,圖2中也反映了300 m長E場天線的橫向振動感應噪聲實驗結果[3]。圖中,曲線由下至上分別表示航速8 kn、14 kn.

為了便于比較不同條件下的電場天線橫向振動感應噪聲功率譜結果,在兩種潛艇航速下,得到了不同頻率時橫向振動感應噪聲功率譜的仿真數據與實驗數據[3],分別見表1和表2.

通過分析圖2,并比較表1和表2的數據可以看出,在電場天線橫向振動感應噪聲的計算結果中,采用(11)式的隨機脈動壓力譜所得到的計算結果誤差最小。在8 kn航速下,Burrows的計算結果[4]與實驗結果的誤差最大時(20 Hz)可相差21.12 dB,采用(11)式時僅相差 18.61 dB,誤差的差距為2.51 dB,此時文獻[5]的計算結果誤差接近本文的計算誤差,但比本文的計算誤差大0.72 dB;隨著極低頻工作頻率的提高,Burrows的計算結果[4]誤差逐漸越小,但始終比本文的結果誤差大,在高頻段比較接近,而文獻[5]的計算結果誤差卻是逐漸增大,在160 Hz時與本文的計算誤差相差2.58 dB;隨著潛艇航速的提高,3種計算結果的誤差均會提高,但由(11)式得到的結果仍優于Burrows[4]與文獻[5]的計算結果。由分析結果可知,所得的隨機脈動壓力譜公式無論是在低頻工作段還是高頻工作段,計算誤差均小于Burrows[4]的和文獻[5]的,Burrows的計算公式在高頻段比較準確,而文獻[5]的計算公式比較適用于低頻段。

表1 電場天線橫向振動感應噪聲功率譜(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場天線橫向振動感應噪聲功率譜(航速14 kn)Tab.2 Lateral vibration-induced noise power spectra of electric field antenna for the towed speed of 14 knots

分析上述現象的原因,(11)式中多了附加項,且與文獻[5]的計算結果相差系數1.82以及指數項的0.55,因而由(11)式的流體脈動壓力譜能給出更準確的電磁噪聲結果,文獻[5]中的計算結果類似于Burrows的推導結果[4],但考慮了機械振動因子。本文也可以在公式中增加該項內容,但考慮到對于長天線來說,此項噪聲功率很小,故為了使問題更清晰,在推導結果中略去了此項。

通過仿真分析并將仿真結果與實驗結果進行比較,不僅驗證了電場和磁場天線的機理分析,同時也證明,由于(11)式的隨機脈動壓力譜誤差小,因而相對于Burrows[4]與文獻[5]的計算結果,所得的橫向振動感應噪聲更接近實艇實驗結果。研究結果為后續進一步分析電場和磁場天線的橫向振動感應噪聲奠定了基礎。

4 結論

通過建立天線在隨機脈動壓力作用下的橫向振動模型,計算了電場天線的橫向振動感應噪聲,給出了電場天線橫向振動感應噪聲的產生機理,研究了橫向振動感應電磁噪聲特性,并對仿真計算結果進行了分析。形成了比較完善的橫向振動感應噪聲分析計算方法。研究結論為:

1)在計算電場天線的橫向振動感應噪聲中,基于Bernoulii梁的振動模型假設,且采用平板壓力模型對隨機激勵進行近似,是可行且準確的。基于本文的天線表面脈動壓力功率譜密度擬合計算公式,得到了電場天線橫向振動感應噪聲結果,與美國麻省理工學院林肯實驗室Burrows的實驗結果[4]吻合,比以往的相關計算結果具有更高的精度,且模型清晰,公式使用方便,使得長波通信橫向振動的研究中,只需直接利用該公式估計噪聲譜密度即可,而不必再去處理繁瑣的流體力學問題。

2)對電場天線的橫向振動感應噪聲進行了仿真分析。不同天線長度、不同航速下的橫向振動分析表明,在實際的接收天線設計中,在已知天線基本參數的情況下,根據系統實際工作頻率,選擇適當的天線長度可以盡量減小橫向振動感應噪聲,從而減小長波通信系統的發射功率,并提高水下收信深度和通信質量。所得結果對于進一步研究其他振動模式下的振動感應噪聲具有一定的參考價值。

References)

[1] Pelios A.Motion-induced noise in trailed antennas,technical memorandum No 2[R].US:RCA David Sarnoff Research Center,1972.

[2] Manning J E.Vibration and strain-induced noise from the ELF flexible loop antenna[R].Lexington:Massachusetts Institute of Technology,1971:1-31.

[3] Burrows M L.Motion-induced noise in electrode-pair extremely low frequency(ELF)receiving antenna[J].IEEE Transaction on Communication,1974,22:540-542.

[4] Burrows M L.On the design of a towed ELF H-field antenna[R]. Lexington:Massachusetts Institute of Technology,1972:9-39.

[5] 劉海泉,梁高權.超低頻電場拖曳天線的運動感應噪聲[D].武漢:海軍工程大學,1987.

LIU Hai-quan,LIANG Gao-quan.Motion-induced noise of towed SLF E-field antenna[D].Wuhan:Naval University of Engineering,1987.(in Chinese)

[6] Burrows M L.Other sources of motion-induced noise in a towed ELF H-field antenna[R].Lexington:Massachusetts Institute of Technology,1973.

[7] 朱四華,王德石.磁場天線磁致伸縮噪聲的仿真實驗[J].武漢理工大學學報,2006,28(6):87-89.

ZHU Si-hua,WANG De-shi.Simulation and experimental research of H-field antenna magnetostrictive noise[J].Journal of Wuhan University of Technology,2006,28(6):87-89.(in Chinese)

[8] 朱四華,王德石.磁場天線的扭轉振動及運動感應電磁噪聲研究[J].電波科學學報,2006,21(6):830-833.

ZHU Si-hua,WANG De-shi.Torsion vibration and motion-induced noise research of H-field antenna[J].Chinese Journal of Radio Science,2006,21(6):830-833.(in Chinese)

[9] 楊路剛.超低頻磁場拖曳天線技術研究[D].武漢:華中科技大學,2007.

YANG Lu-gang.Research on towed ELF H-field antenna[D]. Wuhan:Huazhong University of Science and Technology,2007. (in Chinese)

[10] 謝慧,高俊,柳超.超低頻拖曳全向接收天線運動感應噪聲研究[J].電波科學學報,2007,22(5):861-866.

XIE Hui,GAO Jun,LIU Chao.Analysis of motion-induced noise of super low frequency towed omni-directional receive antenna[J].Chinese Journal of Radio Science,2007,22(5):861-866. (in Chinese)

[11] 喻莉,楊路剛.超低頻磁場電纜運動感應噪聲研究的分析與優化[J].艦船科學技術,2007,29(5):96-98.

YU Li,YANG Lu-gang.Optimization design of motion-induced noise of ELF H-field cable antenna[J].Ship Science and Technology,2007,29(5):96-98.(in Chinese)

[12] 孟慶輝,王永斌,趙志禮.潛艇周圍影響超低頻通信的電磁噪聲來源及特征分析[J].艦船科學技術,2009,31(11):66-69.

MENG Qing-hui,WANG Yong-bin,ZHAO Zhi-li.The source and characteristics of extremely low frequency noise affecting communications around the submarine[J].Ship Science and Technology,2009,31(11):66-69.(in Chinese)

[13] Bakewell J H P.Turbulent wall-pressure fluctuations on a body of revolution[J].The Journal of the Acoustical Society of America, 2005,43(6):1358-1363.

[14] 丁浩,朱四華,王德石.水下拖曳繩索在隨機脈動壓力作用下的響應[J].魚雷技術,2005,13(1):29-32.

DING Hao,ZHU Si-hua,WANG De-shi.Response of underwater towed cable under random and fluctuant pressure[J].Torpedo Technology,2005,13(1):29-32.(in Chinese)

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

朱四華(1979—),男,講師。E-mail:cinly_zhu@163.com