爆炸震動對整體隔震電磁屏蔽室屏蔽效能的影響

黃劉宏,賀永勝,李躍波,劉鋒,何為

(總參謀部工程兵科研三所,河南洛陽 471023)

爆炸震動對整體隔震電磁屏蔽室屏蔽效能的影響

黃劉宏,賀永勝,李躍波,劉鋒,何為

(總參謀部工程兵科研三所,河南洛陽 471023)

為解決電磁屏蔽室在爆炸引起的地沖擊震動下屏蔽效能嚴重下降的問題,結合自有專利技術的隔震器,設計建造了整體隔震電磁屏蔽室,并利用野外化爆試驗及屏蔽效能測試,研究爆炸沖擊震動對整體隔震電磁屏蔽室屏蔽性能的影響。測試結果表明,在累計裝藥量160 kg的多炮次爆炸沖擊震動下,盡管輸入的震動加速度峰值高達115m/s2,但采取了整體隔震措施的屏蔽室底板加速度響應峰值僅18m/s2,有效地減輕了沖擊震動對屏蔽室的不利影響,實現了所設計的電磁屏蔽室屏蔽效能不出現較大損失,仍滿足Ⅰ級屏蔽指標的要求。

電磁學；爆炸震動；整體隔震；電磁屏蔽室；屏蔽效能

0 引言

當前,在防護工程領域,電磁屏蔽室是應對核與非核電磁脈沖防護的關鍵設施,但由于電磁屏蔽室大多均為焊接式,在爆炸引起的強烈沖擊震動下,極易導致屏蔽室的焊縫開裂,甚至變形損壞。這無疑將引起屏蔽室屏蔽性能的下降,甚至完全喪失電磁脈沖防護功能,因此研究解決屏蔽室的爆炸震動防護問題就顯得極為迫切。但目前開展此方面的研究很少,經過國內外資料檢索,僅盧紅標等[1]和邱艷宇等[2]通過野外爆炸震動試驗,研究了鋼板屏蔽室在爆炸震動下的動力特性和屏蔽效能的變化。其試驗結果表明,拼裝式鋼板屏蔽室屏蔽效能受爆炸震動的影響強烈,其14 kHz時門縫處屏蔽效能最大降幅達44.2%;焊接式結構強度高,影響相對較小,但屏蔽效能最大降幅也達24.7%.其研究結果給出的屏蔽效能測試僅選擇了14 kHz和450 MHz兩個頻點,對于常規屏蔽室一般需檢測的吉赫頻段而言,此時電磁波波長較短,更易從開裂的縫隙耦合進入屏蔽室內部,其屏蔽效能很可能下降得更多。

此外,目前防護工程中對有隔震要求的屏蔽室采取的均是在屏蔽室內部設置隔震地板,這種做法導致隔震和電磁防護兩個專業在施工工序上多有交叉,并且只能實現對內部人員和設施的震動防護,更不利的是隔震器的安裝固定破壞了屏蔽室底鋼板的完整性,對整體屏蔽性能產生不利影響。

為解決上述問題,本文首次提出對電磁屏蔽室采取整體隔震的措施,即通過合理的結構設計和布局,將具有自主專利技術的隔震器應用于整個屏蔽室的底部和周側,從而達到整體隔震的目的。同時,通過多炮次的野外化爆試驗,分析了實測爆炸波峰值及其對屏蔽室屏蔽效能的影響,研究結果表明了采取整體隔震措施的有效性和可行性。本文的研究結論對大幅提高屏蔽室抗爆炸沖擊震動的能力,實現在一定當量的觸地爆條件下,對防護工程內部特定區域電磁屏蔽室屏蔽效能的指標要求奠定了基礎。

1 試驗概況

1.1 整體隔震電磁屏蔽室

整體隔震電磁屏蔽室的設計需兼顧隔震器的安裝和屏蔽體外龍骨的需要,經考慮應建造為全鋼框架結構,在鋼框架與工程結構的底部和周側均設置隔震裝置,從而實現“立體隔震”,在鋼框架內側則全鋪鋼板并滿焊從而構成一個完全密閉的六面屏蔽體[3-4]。

經綜合設計,實際建造的屏蔽室殼體尺寸為5.8m×3.8m×1.9m,屏蔽鋼板為2 mm厚的冷軋鋼板,板間縫隙均利用CO2氣體保護焊的方式密焊。按通用電磁屏蔽室的配置,屏蔽殼體上安裝屏蔽門(門框尺寸650mm×1 150mm)一樘,10 A電源濾波器(尺寸300mm×120mm×50mm)一個,300mm× 300mm通風波導窗兩個,為安裝及檢測方便均安裝在屏蔽殼體的朝外一側側墻上。因為試驗目的是測試爆炸震動對屏蔽室屏蔽效能的影響,屏蔽殼體內部未裝修,僅通過電源濾波器的接入實現了內部供電。屏蔽體外側為H型和T型鋼焊接構成的鋼框架,同時也是屏蔽殼體的外龍骨,在鋼框架底部和周側設計安裝了自有專利技術的YGG型非線性鼓形和FGG型長條形鋼絲繩隔震器[5-6](改進版)。整體隔震屏蔽室立面圖及焊接安裝完成后的實物照片如圖1和圖2所示,圖1中D為布設的位移傳感器。

圖1 整體隔震屏蔽室立面圖Fig.1 Elevation of electromagnetic shielded enclosure with integral shock isolation

圖2 整體隔震屏蔽室實物照片Fig.2 Photo of electromagnetic shielded enclosure with integral shock isolation

1.2 裝藥及炮孔布置

化爆試驗的炮孔設置在整體隔震屏蔽室外側混凝土被覆結構的土體內,經綜合考慮,采用了分設2個或3個炮孔分別裝藥的方法。由于爆炸會在場地土中形成較大的空腔,為保證每個炮次之間互不影響,在每炮次試驗完成后,均先用機械洛陽鏟打通原炮孔,再用場地土對炮孔進行填塞,適當輔以機械夯實,使結構周圍的場地介質土盡量恢復原狀,然后再進行下一炮孔的鉆取。

試驗共放3炮,編號分別為10號、11號和13號(炮孔位置亦按此編號),各炮裝藥量及裝藥深度為: 10號,2點等量TNT裝藥合計60 kg,埋深8.5 m; 11號,2點等量TNT裝藥合計70 kg,埋深9m;13號, 3點等量TNT裝藥合計30 kg,埋深3m.化爆試驗炮孔布置見圖3.

圖3 化爆試驗炮孔布置Fig.3 Arrangement of blast holes

1.3 屏蔽效能測試

對整體隔震電磁屏蔽室屏蔽效能的檢測依據GB/T 12190—2006電磁屏蔽室屏蔽效能的測量方法[7],具體測試工作由具有資質的總參軍訓部防護工程計量測試站進行。該站的電磁屏蔽室屏蔽效能檢測裝置由功率信號源、收發天線、頻譜儀及其他輔助設施組成,選取的測試頻點為14 kHz、100 kHz、200 kHz、15 MHz、450 MHz、950 MHz、3 GHz、6 GHz、10GHz.其中前4個頻點為低頻測量,使用具有靜電屏蔽的小環天線,后5個頻點為高頻測量,其中450MHz和950 MHz使用偶極子天線,其余3點使用寬帶雙脊喇叭天線。按照GB/T 12190—2006之規定,在分別采用上述頻點進行測試時需依據測試天線的不同,設定不同的測試距離,具體測試配置如圖4所示。

結合GB/T 12190—2006的規定和整體隔震屏蔽室設備安裝實際,屏蔽效能測點均選定在其臨空一側的側墻上。測點布置及現場照片見圖5.由于屏蔽門尺寸較小,在對其進行小環天線磁場測試時僅在門各邊中點選擇一個測點(測點1～4),電源濾波器安裝孔位置為測點6,上下兩個波導窗中心位置為測點7和測點8.使用偶極子和喇叭天線測試時為平面波照射,可輻照整個屏蔽設備安裝區域,故僅選取門中心為測點5.另外,按隔震設計,在被覆結構的底部和頂部中央,整體隔震屏蔽室殼體底板和頂板中央等位置均布置有一定數量的加速度和位移傳感器,以測量相關震動參數。

圖4 屏蔽效能測試示意圖Fig.4 Schematic diagram of shielding effectivenessmeasurement

圖5 屏蔽效能測點布置Fig.5 Positions of test points for shielding effectiveness

2 測試結果及分析

2.1 加速度峰值及脈寬測試結果

表1給出了3個炮次時,被覆結構的底板、整體隔震屏蔽室底板和頂板中央處的加速度峰值及脈寬(為說明問題,僅列出部分測點的測試數據)。以裝藥量較大的11號炮次為例,圖6(a)和圖6(b)為被覆結構底板和屏蔽室底板中央加速度實測波形。從中可以看出,化爆引起被覆結構底板沖擊加速度峰值達115m/s2,而整體隔震的屏蔽室底板加速度第1個峰值只有12 m/s2,第2個峰值為18 m/s2,幅值降低可高達89.6%,同時受隔震器位移變形耗能作用的影響,脈寬增長了5倍。這充分說明所采取的整體隔震措施,極大地減輕了爆炸地沖擊所引起的屏蔽室的震動,進而也會減輕沖擊震動對屏蔽室剛性焊縫及其他薄弱連接部件的不利影響,降低焊縫撕裂與連接部件開裂的風險。

表1 加速度峰值及脈寬測試結果Tab.1 Acceleration peak values and lasting time

圖6 11號炮次時加速度實測波形Fig.6 Measured waveforms of acceleration for 11#

此外,在周側隔震器的作用下,相比于屏蔽室底板,其頂板的加速度峰值,尤其是脈寬未出現明顯的放大作用[1],這是未采用整體隔震的屏蔽室所不具有的特征,有助于解決屏蔽室頂部照明通信電源、消防等濾波器和內部吊頂等設施在劇烈震動下易損壞的問題。

2.2 屏蔽效能測試結果

電磁屏蔽效能是表征屏蔽體對電磁波衰減程度的重要指標,其定義為屏蔽前某點的場強與屏蔽后該點場強之比[8],表示為

式中:E0、H0分別為屏蔽前某點的電場強度與磁場強度;ES、HS分別為屏蔽后某點的電場強度與磁場強度。化爆試驗進行了3次,屏蔽性能測試則進行了4次,其中第一次為屏蔽室焊接安裝完畢,爆炸試驗未開始之前,之后每次爆炸后均進行測試。經整理,圖7(a)～圖7(h)給出了前述8個測點4次屏蔽效能的測試結果。經過分析,可以看出:

1)屏蔽門門縫上的4個測點(測點1～4)在14 kHz～15MHz頻率范圍內的變化規律基本相同,均表現為14 kHz和200 kHz處屏蔽效能隨炮次的增加而逐漸降低,最大降幅為20.5%(在14 kHz測點1處);100 kHz處屏蔽效能小幅起伏,變化較小; 15MHz處屏蔽效能隨炮次的變化規律不明顯,但總體上是反有提高,最大提升11.6 dB.由于屏蔽門門縫采用的是指狀鈹銅簧片與門框銅板壓接,因此在爆炸震動下,簧片變形及壓接狀況發生改變進而改善部分頻點的屏蔽效能是很可能的。

2)測點5為屏蔽門正中央,采用450 MHz～10 GHz的點頻平面波照射,其測試結果可代表整個屏蔽室在此頻率范圍內的屏蔽效能。從曲線上看,各頻率點基本均表現為屏蔽效能隨炮次的增加而小幅降低,最大降幅9.9%,可認為受爆炸震動的影響較小。

3)測點6為電源濾波器的安裝位置,在14 kHz處屏蔽效能隨炮次的增加而降低,降幅19.7%;其他頻率處的測試值小幅起伏,變化幅度不超過5 dB,可認為受爆炸震動的影響較小。究其原因,應該與濾波器的安裝方式有關。不同于屏蔽室絕大部位均采用焊接方式,濾波器的安裝是通過在屏蔽殼體上開孔,兩邊加隔銅絲網襯墊后用螺釘擰緊固定的,因此相對于剛性焊縫,其受沖擊震動的影響要小。

圖7 不同測點處的屏蔽效能測試結果Fig.7 Shielding resultsmeasured at different test points

4)測點7和測點8分別為上、下兩個通風波導窗的中心位置,從曲線變化規律上看,二者也非常相似,均表現為在14 kHz時屏蔽效能隨炮次的增加而降低,并且降低的幅度較大,分別為30 dB和15 dB,降幅達28.7%和15.9%,這說明所采用的成品通風波導窗抗沖擊震動的能力偏弱。分析其原因,這與通風波導窗的制造構成有關。波導窗的板芯是由多個六角形蜂窩截止波導單元構成,單元間的導電連接依賴于表面連續的化學鍍層(多鍍鎳或錫),但波導單元與連接鍍層結構受力上偏弱,同時波導板芯與周邊邊框的搭接也易受震動的影響。這也說明今后在選用成品通風波導窗時應對其抗震性能提出相應要求。

從現場測試來看,盡管可以知道哪些測點處的屏蔽性能降低,但經過仔細檢查并沒有發現肉眼可見的裂縫。同時多個炮次的沖擊震動存在疊加效應,對裂縫的形成和發展的影響難以預計,因此可以看到部分測點處的測試值出現與測試次數順序不符的漲落,表現出了無規律的變化特征。

總體而言,盡管經過了數個炮次的重復沖擊震動,個別炮次裝藥甚至高達70 kg,整體隔震屏蔽室的屏蔽性能出現了一定程度的下降,但仍能滿足Ⅰ級屏蔽室的指標要求[9]。這表明安裝在結構底部和周側的鋼絲繩隔震系統對屏蔽室確有較好的減震作用,能夠在一定當量的爆炸沖擊震動下維持其屏蔽性能。

3 結論

本文通過多炮次的野外化爆試驗,研究了爆炸沖擊震動對整體隔震屏蔽室屏蔽性能的影響。研究結果表明,在60 kg、70 kg和30 kg 3種不同裝藥量的化爆沖擊震動下,盡管輸入的震動加速度峰值高達115m/s2,但采取了整體隔震措施的屏蔽室底板加速度峰值最大僅18m/s2,有效地減輕了沖擊震動對屏蔽室的影響,實現了屏蔽效能仍滿足Ⅰ級屏蔽指標的要求。需要說明的是,受客觀條件的限制,野外化爆試驗次數偏少,并且受裝藥量及埋設位置等多因素的影響,對爆炸輸入的沖擊波加速度峰值不能準確控制,這在后續試驗時應加以考慮改進。

致謝:文中野外測試及數據整理得到了杜建國研究員和陳榮華工程師的協助,在此表示感謝。

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Influence of Blast Shock on Shielding Effectiveness of Electromagnetic Shielded Enclosure w ith Integral Shock Isolation

HUANG Liu-hong,HE Yong-sheng,LIYue-bo,LIU Feng,HEWei
(The Third Engineer Research Institute,the Headquarters of the General Staff,Luoyang 471023,Henan,China)

Shielding effectiveness of electromagnetic shielded enclosure would be decreased by blast shocks.An electromagnetic shielded enclosurewith the shock isolatorwith own patented technology is designed and constructed.The field blasting and shielding performance tests are conducted to study the effect of blast shock on the the shielding effectiveness of electromagnetic shielded enclosure with integral shock isolation.The results show that the vibration acceleration of electromagnetic shielded enclosurewith integral shock isolation is only 18m/s2although the input vibration acceleration peak is up to 115m/s2under the blast shocks of160 kg cumulative charge.Thismeans that the integral shock isolation effectively reduces the impact of blast shock on electromagnetic shielded enclosure.The electromagnetic shielded enclosuremeets the requirement of GradeⅠ.

electromagnetics;blast shock;integral shock isolation;electromagnetic shielded enclosure; shielding effectiveness

O441.5;TB535.1

A

1000-1093(2014)12-2072-06

10.3969/j.issn.1000-1093.2014.12.020

2014-03-18

武器裝備軍內科研條件建設項目(2013年)

黃劉宏(1983—),男,助理研究員。E-mail:infirstime@163.com;

賀永勝(1969—),男,高級工程師。E-mail:704132755@qq.com