一種艦船低頻電磁干擾的整改方法與試驗研究

張建國，瞿 丹，許榮彧，劉 鋼，楊華榮

(武漢第二船舶設(shè)計研究所，湖北 武漢 430205)

一種艦船低頻電磁干擾的整改方法與試驗研究

張建國，瞿 丹，許榮彧，劉 鋼，楊華榮

(武漢第二船舶設(shè)計研究所，湖北 武漢 430205)

為解決聲吶系統(tǒng)的低頻電磁干擾故障，基于電磁干擾三要素中的輻射耦合路徑，提出了一種采用坡莫合金與波紋管相結(jié)合的電磁屏蔽整改方法。首先分析了電磁干擾的形成機制以及艦船平臺上的常見類型，采用對比試驗與電磁環(huán)境測試，掌握了此次電磁干擾的耦合路徑；通過電磁屏蔽試驗以及試驗改進(jìn)，驗證了整改方法的可行性。在艦船上實施改進(jìn)的整改方法，測試結(jié)果證明了該方法的有效性，解決了聲吶系統(tǒng)的低頻電磁干擾故障。

低頻電磁干擾；耦合路徑；電磁屏蔽試驗

0 引 言

電磁兼容是研究在有限空間、有限時間、有限頻譜資源條件下，各種用電系統(tǒng)設(shè)備能夠正常工作，相互不受干擾。電磁干擾則是指任何能中斷、阻礙、降低或限制電子、電氣系統(tǒng)設(shè)備有效性能的電磁能量[1]。

電子、電氣系統(tǒng)設(shè)備受到強電干擾或系統(tǒng)內(nèi)部的電磁影響，造成性能下降或不能工作的情況是電磁干擾最為常見的危害。電磁干擾對人類活動產(chǎn)生的三大危害為：1）破壞或者降低電子電氣系統(tǒng)設(shè)備的工作性能；2）引起易燃易爆物品的起火、爆炸，帶來巨大的經(jīng)濟損失和人員傷亡；3）對人體組織器官造成損害，影響人員的身體健康[2]。

與其他平臺相比，艦船的電磁環(huán)境有其特殊性。艦船內(nèi)部空間有限，艙室內(nèi)多種系統(tǒng)設(shè)備密集布置，管路走線復(fù)雜，電力線、信號線、控制線等線纜高密度、集群式走線，易產(chǎn)生電磁耦合而形成電磁干擾[3-4]。本文為解決聲吶系統(tǒng)的低頻電磁干擾故障，提出一種采用坡莫合金與波紋管相結(jié)合的電磁屏蔽整改方法，通過實驗室內(nèi)的屏蔽試驗和艦船上的現(xiàn)場測試，證明該方法的有效性。

1 電磁干擾形成機制

1.1 電磁干擾三要素

對于電子電氣系統(tǒng)設(shè)備，產(chǎn)生電磁干擾需要同時具備 3 條要素[2]：1）電磁干擾源，是指產(chǎn)生電磁干擾的元器件、設(shè)備、分系統(tǒng)、系統(tǒng)或者自然現(xiàn)象；2）耦合途徑，分為傳導(dǎo)耦合與輻射耦合，是指傳播干擾能量的途徑（或通道）；3）敏感設(shè)備，亦稱為被干擾設(shè)備，是指對電磁干擾產(chǎn)生響應(yīng)的設(shè)備。

由電磁干擾源產(chǎn)生的電磁能量，經(jīng)過某種耦合途徑傳輸?shù)矫舾性O(shè)備，而導(dǎo)致其出現(xiàn)某一形式的響應(yīng)并產(chǎn)生一定的干擾效果，這一作用過程及效果稱為電磁干擾效應(yīng)。所有的電磁干擾效應(yīng)都是由電磁干擾三要素組成，且缺一不可，如圖 1 所示。

1.2 常見干擾類型

傳導(dǎo)類型的電磁干擾能量沿著導(dǎo)線以電流形式傳播至敏感設(shè)備，輻射類型的電磁干擾能量以電磁波形式傳播至敏感設(shè)備。艦船平臺上常見的電磁干擾類型[2]如下:

1）雷電放電干擾

伴隨雷電產(chǎn)生的電磁脈沖具有沖擊電流大、持續(xù)時間短、放電次數(shù)多、電磁頻帶寬等特點，雷電周圍感應(yīng)出巨大的電磁場，在導(dǎo)體中形成較大的電動勢和感應(yīng)浪涌，此空間內(nèi)的電子、電氣設(shè)備若保護不當(dāng)，會造成極大的破壞。

2）開關(guān)操作干擾

繼電器、點火裝置等開關(guān)類裝置在通、斷的工作過程中，產(chǎn)生快速變化的電壓和電流，這些尖峰電壓和浪涌電流形成了干擾源；開關(guān)間隙越短，電磁干擾占有的頻帶越寬，含有的電流諧波越豐富，進(jìn)而產(chǎn)生高頻輻射。

3）靜電放電干擾

電荷積累到一定量的帶電物體，與其他物體接近時，就會產(chǎn)生電暈放電或火花放電，形成靜電放電干擾。大多數(shù)半導(dǎo)體器件易受靜電放電而損壞，特別是大規(guī)模集成電路芯片更為脆弱。

4）輸電線干擾

輸電線產(chǎn)生的電磁輻射對通信線路、廣播電視、人員安全產(chǎn)生的影響越來越受關(guān)注，一般分為兩類：一是工頻電磁干擾，輸電線周圍存在基波以及奇次諧波的低頻磁場和電場的干擾；二是瞬態(tài)電磁干擾，輸電線存在電暈放電和間隙擊穿，電暈放電產(chǎn)生高頻脈沖電流且輻射大量電磁波，間隙擊穿伴有很高的輻射頻譜，兩者均會對周圍電子設(shè)備產(chǎn)生影響。

5）無線電干擾

通信、雷達(dá)、導(dǎo)航等系統(tǒng)發(fā)射的強電磁波是重要的信息載體，但對于其他電子、電氣系統(tǒng)設(shè)備而言，卻是無用、有害的干擾源，且具有高頻率、寬頻帶的特點，所以其他系統(tǒng)通過互感得到的感應(yīng)電壓和電流就相對較大，進(jìn)而影響其他系統(tǒng)的正常工作。

2 干擾現(xiàn)象

某型聲吶在艦船改換裝之后受到干擾而出現(xiàn)故障，聲吶系統(tǒng)的測距、測向、精度以及目標(biāo)跟蹤能力等技術(shù)指標(biāo)均受到一定程度的影響，進(jìn)而導(dǎo)致該艦船的實際作戰(zhàn)性能降低。通過現(xiàn)場勘驗與電磁環(huán)境測試，并進(jìn)行對比試驗，得出此次聲吶系統(tǒng)故障的原因是，某專用電源的電力線（供電電纜）耦合干擾了聲吶系統(tǒng)的信號線，電磁干擾的耦合路徑如圖 2 所示。

在現(xiàn)場開展對比試驗，分別在專用電源電力線斷電與通電的情況下，讓聲吶系統(tǒng)開機工作，檢查各項技術(shù)指標(biāo)是否滿足技術(shù)要求，驗證聲吶系統(tǒng)的主要技術(shù)性能；同時，在干涉處（見圖 2）分別開展電磁環(huán)境測試，確認(rèn)此次故障的干擾源、耦合路徑以及干擾量級。在電力線斷電與通電工況下，對比試驗的低頻磁場環(huán)境的測試結(jié)果如圖 3 所示。

依據(jù)測試結(jié)果，干涉處的低頻磁場值在電力線通電前后有明顯異常，專用電源的電力線通電時，產(chǎn)生低頻電磁干擾（低頻磁場干擾），聲吶系統(tǒng)的作戰(zhàn)性能明顯降低（如上文所述），頻譜中干擾最大值在 3.3 kHz 頻率，幅度約為 67 dBpT；當(dāng)該專用電源斷電時，聲吶系統(tǒng)各項技術(shù)指標(biāo)均恢復(fù)正常，干涉處 3.3 kHz 磁場幅度降低到 45 dBpT。

根據(jù)電磁兼容數(shù)據(jù)庫中以往的測試數(shù)據(jù)，在該艦船此次改換裝之前，干涉處 3.3 kHz 頻率磁場在最近一次測試值為 43 dBpT，聲吶系統(tǒng)運行正常。因此，整改方法需要降低低頻（1～8 kHz）電磁干擾，使得干涉處的低頻磁場在 3.3 kHz 由 67 dBpT 降低至 43 dBpT，即目標(biāo)為降低 24 dBpT。

3 干擾整改方法

針對此次專用電源電力線耦合聲吶信號線而產(chǎn)生的低頻電磁干擾故障，依據(jù)電磁干擾三要素進(jìn)行干擾機理分析，進(jìn)而尋求干擾整改方法。干擾源為專用電源，敏感源為聲吶系統(tǒng)設(shè)備，耦合形式為輻射耦合，耦合路徑如圖 2 所示。

由于專用電源需要保障艦船上某些設(shè)備用電，其電力線的用電功率不能降低，所以圍繞干擾源的解決途徑被排除；聲吶系統(tǒng)在短期內(nèi)不具備系統(tǒng)技術(shù)升級條件，且聲吶設(shè)備的機柜與信號線均采取了良好的電磁屏蔽措施，故圍繞敏感源的整改方法也被排除。因此，輻射耦合路徑成為電磁干擾整改對象[5-7]。

由于聲吶系統(tǒng)信號線已具備良好的屏蔽性能，整改方法針對專用電源電力線進(jìn)行實施。為了切斷輻射耦合路徑，將干擾源與敏感源進(jìn)行隔離，進(jìn)而降低專用電源電力線的強電磁信號對聲吶信號線的耦合作用，采用如下的干擾整改方法：1）選擇具有低頻電磁屏蔽性能的特殊材料，2）進(jìn)行電磁屏蔽試驗，選擇良好的屏蔽方式，3）現(xiàn)場進(jìn)行細(xì)致施工，并調(diào)試材料的電磁屏蔽性能。

4 整改試驗與實施

4.1 選擇電磁屏蔽材料

根據(jù)電磁波的趨膚效應(yīng)，電磁場在穿過屏蔽體時，吸收損耗隨電磁波頻率、屏蔽材料的電導(dǎo)率、磁導(dǎo)率及屏蔽體厚度的增加而增大，表達(dá)式如下：

式中：A為吸收損耗，dB；t為屏蔽體厚度，mm；f為電磁場頻率，Hz；μr為屏蔽體的相對磁導(dǎo)率；σr為相對電導(dǎo)率。常見金屬的低頻電磁屏蔽性能如表 1 所示[8]。

因此，不同材料的電導(dǎo)率對吸收損耗的貢獻(xiàn)差異小于磁導(dǎo)率，對于低頻電磁場的屏蔽，應(yīng)采用高磁導(dǎo)率的鐵磁材料，如冷軋鋼板、坡莫合金等。同時，在選擇屏蔽材料時還應(yīng)考慮材料的機械強度、鋼度以及防腐等因素。

表 1 常用金屬材料的吸收損耗關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)表Tab.1 Absorption loss association data table for common metal materials

對于艦船上的干涉位置，現(xiàn)場空間十分狹小，待屏蔽電力線與船殼以及與旁邊其他線纜的距離僅有 10 cm，可施工空間極度有限；而且鋼板強度很大，不易彎曲變形，不利于施工。因此，放棄使用冷軋鋼板材料。

對于坡莫合金材質(zhì)，其低頻電磁屏蔽性能卓越，理論上僅需 0.05 mm 厚度的材料進(jìn)行密封包覆，即可在 10 kHz 頻率達(dá)到 20 dB 的屏蔽性能，適合用來屏蔽電力線。但是，存在的問題是，坡莫合金材質(zhì)鋼度較弱，在艦船上施工后容易發(fā)生非期望的變形等情況，影響其屏蔽性能。綜合考慮材料的屏蔽性能與可施工性，采用可彎曲纏繞式的波紋管作為支撐，起到塑型作用，再在波紋管的外層包裹坡莫合金材料。

4.2 電磁屏蔽試驗

經(jīng)過市場調(diào)研，考慮材料的經(jīng)濟性和可實施性，選擇 0.05 × 285（厚度 × 寬度）規(guī)格的坡莫合金材料作為低頻磁屏蔽材料，65 mm 內(nèi)徑的波紋管作為支撐材料，在電磁兼容實驗室進(jìn)行對比試驗，以驗證其屏蔽性能，如圖 4 和圖 5 所示。測試設(shè)備包含：信號源、音頻功率放大器、電磁輻射環(huán)、電磁接收環(huán)、EMI 接收機等[9]。

通過試驗，獲得對比試驗的測試數(shù)據(jù)如表 2 所示。

根據(jù)測試結(jié)果分析，整改方法獲得的電磁屏蔽效能在 3.3 kHz 附近頻段可達(dá) 25.6 dB。但由于現(xiàn)場的電磁環(huán)境比實驗室復(fù)雜，根據(jù)艦船電磁兼容試驗經(jīng)驗，需要留有 6 dB 的現(xiàn)場環(huán)境裕量，方可達(dá)到目標(biāo)所需的屏蔽效果，即實際屏蔽性能只有 19.6 dB，小于目標(biāo)值24 dB（dBpT）。因此，整改方法需要進(jìn)一步改進(jìn)。

表 2 屏蔽材料的屏蔽效能試驗數(shù)據(jù)Tab.2 The data of the screening experiment on shielding material

4.3 試驗改進(jìn)與實施

訂制屏蔽性能更優(yōu)良的 0.2 × 250 規(guī)格的坡莫合金材料，按照上述的試驗方案繼續(xù)進(jìn)行屏蔽試驗驗證，獲得對比試驗數(shù)據(jù)如表 3所示。

表 3 試驗改進(jìn)后測試數(shù)據(jù)Tab.3 The testing data with the improved experiments

根據(jù)測試結(jié)果分析，改進(jìn)的整改方案在 3.3 kHz 頻率的屏蔽效能達(dá)到 36.9 dB，在 6 kHz 頻率達(dá)到 39.6 dB；減去 6 dB 的現(xiàn)場環(huán)境裕量，在 3.3 kHz 仍可獲得 30.9 dB的屏蔽效能，在 6.6 kHz 可獲得 33.6 dB 的屏蔽效能，滿足預(yù)期的目標(biāo)，用該整改方案進(jìn)行實施。因此，在艦船現(xiàn)場針對電力線實施電磁屏蔽整改方法，如圖 6 所示。整改后進(jìn)行低頻磁場環(huán)境測試，結(jié)果如圖 7 所示。

根據(jù)測試結(jié)果：采用改進(jìn)后的試驗整改方法，干涉處的低頻磁場值在 3.3 kHz 頻率由 67 dBpT 降低至 40 dBpT，降低了 27 dBpT；在 6.6 kHz 頻率由 57 dBpT 降低至 33 dBpT，降低了 24 dBpT。在專用電源的電力線通電時，干涉處的低頻磁場恢復(fù)到故障以前水平，整改結(jié)果滿足目標(biāo)要求，聲吶系統(tǒng)的作戰(zhàn)性能未出現(xiàn)異常，各項技術(shù)指標(biāo)均恢復(fù)正常。

5 結(jié) 語

基于電磁干擾三要素中的輻射耦合路徑，本文提出一種采用坡莫合金材料與波紋管相結(jié)合的低頻磁場干擾整改方法。通過電磁屏蔽試驗以及試驗改進(jìn)，驗證了整改方法的可行性。在艦船現(xiàn)場實施整改方法后，進(jìn)行了低頻電磁環(huán)境測試，測試結(jié)果證明了本文電磁干擾整改方法的有效性，解決了聲吶系統(tǒng)的低頻電磁干擾故障。

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Rectification method and experimental research on naval ship low-frequency EMI

ZHANG Jian-guo, QU Dan, XU Rong-yu, LIU Gang, YANG Hua-rong
(Wuhan Second Ship Design and Research Institute, Wuhan 430205, China)

In order to solve the low-frequency electromagnetic interference (EMI) on sonar system, a rectification method using both permalloy and bellows is proposed, based on the radiation coupling way of the three main factors that causing the EMI problem.Firstly the EMI formation mechanism and common forms in naval ship are analyzed, and the coupling way of this EMI problem is acquired by contrast experiments and electromagnetic environmental testing.Through electromagnetic shielding experiments and modified experiments, the feasibility of this method is validated.After implementing the rectification method in naval ship, the testing results prove the effectiveness of this method and the EMI problem on sonar system is solved.

low-frequency electromagnetic interference；coupling way；electromagnetic shielding experiment

TN03

：A

1672-7619(2017)01-0114-04doi：10.3404/j.issn.1672-7619.2017.01.023

2016-04-19；

: 2016-07-11

張建國(1985-)，男，博士，工程師，主要從事艦船電磁兼容技術(shù)與試驗研究。