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磁場十分敏感，隨艦船振動會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)生信號失真，甚至無法完成正確的通信任務(wù)，其中以垂向振動影響最為顯著。消除低頻磁性天線的運(yùn)動感應(yīng)噪聲具有十分重要的意義。由于低頻磁性天線對電磁場的敏感度過高，因此必須選用一種合適的、不會產(chǎn)生多余電磁噪聲的減振方式對高靈敏低頻磁性天線安裝位置的振動進(jìn)行衰減。

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

本文從磁性天線運(yùn)動感應(yīng)噪聲產(chǎn)生原理出發(fā)，分析振動對通信信號的影響，并采取雙層隔振方式實(shí)現(xiàn)天線振動抑制，通過仿真對比掌握系統(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 天線振動分析及建模

1.1 艦船天線運(yùn)動感應(yīng)噪聲原理

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

圖 1 運(yùn)動感應(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，即由振動產(chǎn)生的噪聲電壓為：

式中運(yùn)動感應(yīng)噪聲電壓大小與磁性天線的振動強(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強(qiáng)度，可以減小天線運(yùn)動感應(yīng)電壓，提高通信系統(tǒng)的信噪比

1.2 低頻天線被動隔振建模

多級被動隔振技術(shù)在獲取優(yōu)異隔振性能的同時意味著需要增加多個沒有實(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)計結(jié)果，理想情形下，多級被動隔振系統(tǒng)動力學(xué)模型如圖2所示，可以得到多級被動隔振系統(tǒng)動力學(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)隔振級數(shù)n=2時，為雙級隔振系統(tǒng)，即

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

雙級隔振系統(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、下級阻尼比能夠有效地抑制共振，降低系統(tǒng)發(fā)生共振時的振幅，但在隔振頻段內(nèi)，上下級阻尼的增加會對系統(tǒng)幅值衰減性能產(chǎn)生負(fù)面影響；

3）阻尼比不同時的隔振系統(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 雙級被動隔振的結(jié)構(gòu)有限元仿真

2.1 隔振系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方案設(shè)計

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應(yīng)滿足對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、下級之間的隔振元件應(yīng)該不對齊布置從而能夠減小傳遞到隔振對象的振動。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)在承受簡諧載荷時的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)，分析過程中只計算結(jié)構(gòu)的穩(wěn)態(tài)受迫振動，不考慮激振開始時的瞬態(tài)振動，本文位移諧響應(yīng)分析通過0～150 Hz內(nèi)取15個頻率點(diǎn)在給定位移激勵下計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。各個頻率點(diǎn)仿真計算結(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)，振動抑制作用較差，并在第1個諧振頻率，振幅達(dá)到最大，但此時共振振幅不超過結(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，滿足隔振需求。

3 低頻天線隔振系統(tǒng)試驗(yàn)測試

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所示雙級被動隔振結(jié)構(gòu)試驗(yàn)裝置。

試驗(yàn)基本流程為計算機(jī)給出振動控制指令使振動臺產(chǎn)生不同的振動激勵，并完成定頻試驗(yàn)、掃頻試驗(yàn)測試。磁性天線上從固定端到中心處等距分布測點(diǎn)1～測點(diǎn)4，加速度傳感器分別測量振動臺、天線的加速度響應(yīng)，經(jīng)過信號調(diào)理以及數(shù)據(jù)采集設(shè)備后，傳遞到計算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和分析，通過對比并計算加速度傳感器測量信號幅值差異，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]振動試驗(yàn)條件要求下定義裝置激勵條件。如圖7為不同測點(diǎn)幅值衰減測試性能曲線。

圖 6 試驗(yàn)測試裝置Fig. 6 Test device

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

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

從圖中的測試性能可以得到以下結(jié)論：

1）該隔振設(shè)計合理可靠，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能夠達(dá)到31 dB；

2）共振區(qū)域內(nèi)，測試曲線近似重合，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)此時天線剛性對性能的影響最為顯著。

4 總 結(jié)

本文在掌握天線振動影響規(guī)律的基礎(chǔ)上，采用雙級隔振方式完成了低頻磁性天線隔振設(shè)計研究，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，伴隨著激勵頻率升高，隔振元件會硬化，剛度增加，因此實(shí)際測試往往達(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)動過程中天線信噪比較低的問題。