楊鵬程 ,楊靖浩 ,姜潤(rùn)翔

(1.海軍工程大學(xué) 電氣工程學(xué)院,湖北 武漢,430033;2.中國(guó)船舶集團(tuán)有限公司 第708 研究所,上海,200011)

0 引言

艦船電場(chǎng)是除聲場(chǎng)、磁場(chǎng)和水壓場(chǎng)之外又一明顯的船舶物理場(chǎng)特征,按其形成的原因可分為靜電場(chǎng)、軸頻電場(chǎng)、諧波電場(chǎng)和感應(yīng)電場(chǎng)等[1-3]。其中,艦船靜電場(chǎng)信號(hào)的量級(jí)較大,可被應(yīng)用于重點(diǎn)海域、要地及要道的警戒封鎖系統(tǒng)的研制,如俄羅斯研制的KOMOR 電磁封海系統(tǒng)[4]。文獻(xiàn)[5]基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),分析了艦船電場(chǎng)的特性,但是其分析是建立在單節(jié)點(diǎn)測(cè)量系統(tǒng)基礎(chǔ)上的,難以滿足全面掌握艦船電場(chǎng)特征的要求。為了全面掌握艦船靜電場(chǎng)信號(hào)的特征,除了建立數(shù)值仿真計(jì)算模型外,還可依托縮比模型和實(shí)船試驗(yàn)。文中在電場(chǎng)測(cè)量陣列的基礎(chǔ)上,基于典型模型試驗(yàn)與實(shí)船試驗(yàn),分析了艦船靜電場(chǎng)的水下電位特征。

1 艦船腐蝕相關(guān)靜電場(chǎng)

艦船是由多種材料組成的復(fù)雜結(jié)構(gòu)物,主要有低合金鋼、鑄鋼、銅合金、鋁合金、不銹鋼和鈦合金等。由于不同金屬材料在海水中的電極電位不同,當(dāng)它們之間存在電連接時(shí),將形成腐蝕原電池,從而在回路中產(chǎn)生電流[6-7]。隨著電流的產(chǎn)生,陽(yáng)極將逐漸被腐蝕,而陰極得到保護(hù),最后達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡,在海水中產(chǎn)生穩(wěn)恒電流。為了保護(hù)船體不受腐蝕,現(xiàn)代船舶上普遍采用了外加電流陰極保護(hù)(impressed current cathodic protection,ICCP)系統(tǒng)和犧牲陽(yáng)極陰極保護(hù)系統(tǒng)產(chǎn)生防腐電流。腐蝕電流和保護(hù)電流均會(huì)導(dǎo)致船體周?chē)霈F(xiàn)電場(chǎng)信號(hào),稱(chēng)為腐蝕相關(guān)靜電場(chǎng)信號(hào)(簡(jiǎn)稱(chēng)為靜電場(chǎng)信號(hào))[8],鋼制船體與銅制通海閥電化學(xué)腐蝕產(chǎn)生的水下電位信號(hào)如圖1 所示,圖中:U為水下電位;h為測(cè)量深度。

圖1 “船體-通海閥”產(chǎn)生的水下電位信號(hào)Fig.1 Underwater potential signal generated by hullaccess valve

2 縮比模型試驗(yàn)

船體表面異種金屬分布的多樣性、艦船陰極保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的差異性,均將導(dǎo)致艦船靜電場(chǎng)信號(hào)的多樣性?？s比模型試驗(yàn)重點(diǎn)對(duì)陰極保護(hù)系統(tǒng)對(duì)艦船靜電場(chǎng)的影響進(jìn)行了分析。試驗(yàn)船模長(zhǎng)4.13 m,寬0.57 m,吃水深度為0.13 m,船體艏部安裝有側(cè)推青銅槳,艉部安裝有主推青銅槳,內(nèi)部安裝有被動(dòng)軸接地裝置,船體艏側(cè)推槽道內(nèi)、減搖鰭和舵板安裝有可以實(shí)現(xiàn)外部連接的3 對(duì)犧牲陽(yáng)極,船體表面安裝有8 對(duì)輔助陽(yáng)極和16 個(gè)監(jiān)測(cè)參比電極,輔助陽(yáng)極、參比電極和船體分別與電化學(xué)工作站的CE、RE、WE 端連接,可實(shí)現(xiàn)對(duì)ICCP 系統(tǒng)的模擬。犧牲陽(yáng)極與ICCP 保護(hù)系統(tǒng)的布置圖見(jiàn)圖2。

圖2 犧牲陽(yáng)極與輔助陽(yáng)極布置圖Fig.2 Layout of sacrificial anodes and auxiliary anodes

試驗(yàn)水池長(zhǎng)14 m,寬7 m,水深1.08 m,水池上安裝有導(dǎo)軌和拖曳裝置,可實(shí)現(xiàn)對(duì)縮比模型的拖動(dòng),水池內(nèi)部安裝4 個(gè)不同深度平面的電場(chǎng)測(cè)量陣列。其中,4 個(gè)不同深度依次為0.5B(B為船寬)、25 m、1.0B、1.5B按照1∶60 縮比對(duì)應(yīng)的深度,分別為28.5、41.7、57、85.5 cm,每個(gè)深度的9個(gè)測(cè)量Ag/AgCl電極間距為142.5 mm?；鶞?zhǔn)Ag/AgCl電極(零電極)與測(cè)量電極的最小距離為3 m,縮比模型通過(guò)電場(chǎng)測(cè)量陣列的現(xiàn)場(chǎng)照片如圖3 所示。

圖3 縮比模型通過(guò)電場(chǎng)測(cè)量陣列的現(xiàn)場(chǎng)照片F(xiàn)ig.3 Field photos of scale model passing through electric field measurement array

將36 個(gè)測(cè)量電極與基準(zhǔn)電極的信號(hào)傳輸至高精度24 位采集器,采樣頻率設(shè)定為100 Hz,實(shí)時(shí)記錄水下電位信號(hào)。縮比模型以13.77 cm/s 的速度通過(guò)測(cè)量陣列,不同船體狀態(tài)條件下深度20 m(縮比為41.7 cm)平面的水下電位信號(hào)如圖4 所示(船艏及船艉對(duì)應(yīng)的位置分別為1.377 m 和5.508 m)。圖4 中不同船體狀態(tài)分別對(duì)應(yīng)于8 種不同狀態(tài),分別為: 狀態(tài)1,船體自然腐蝕;狀態(tài)2,船體-艏側(cè)推槳電化學(xué)腐蝕;狀態(tài)3,船體-艏側(cè)推-艉部槳電化學(xué)腐蝕(艦船工作時(shí)的初始狀態(tài));狀態(tài)4,狀態(tài)3 工作前提下艏側(cè)推犧牲陽(yáng)極陰極保護(hù);狀態(tài)5,狀態(tài)3工作前提下減搖鰭犧牲陽(yáng)極陰極保護(hù);狀態(tài)6,狀態(tài)3 工作前提下艉舵犧牲陽(yáng)極陰極保護(hù);狀態(tài)7,狀態(tài)3 工作前提下艏側(cè)推、減搖鰭、艉舵犧牲陽(yáng)極陰極保護(hù);狀態(tài)8,狀態(tài)7 工作條件下的外加電流陰極保護(hù)。

圖4 深度41.7 cm 平面不同陰極保護(hù)狀態(tài)條件下水下電位信號(hào)Fig.4 Underwater potential signals under different cathodic protection conditions at a depth of 41.7 cm

由圖4(a)可知,即使船體上未安裝有異種金屬,船體鋼及焊料之間的微腐蝕與電化學(xué)腐蝕依然會(huì)產(chǎn)生水下電位信號(hào),但其幅度相對(duì)較小;對(duì)比圖4(c)～圖4(f)可知,相對(duì)于艦船工作時(shí)的初始狀態(tài),不同位置的犧牲陽(yáng)極工作后,對(duì)水下電場(chǎng)的影響是不同的,如艉舵犧牲陽(yáng)極工作時(shí),將導(dǎo)致水下電位的峰-峰值降低,即可通過(guò)合理的布放犧牲實(shí)現(xiàn)電場(chǎng)隱身;對(duì)比圖4(b)～圖4(h)可知: 1) 不同船體狀態(tài)條件下的水下電位的波形、幅度都存在較大的差別,即艦船水下電場(chǎng)與電化學(xué)腐蝕與陰極保護(hù)狀態(tài)密切相關(guān);2) 在近場(chǎng)范圍內(nèi),艦船水下電位信號(hào)具有多峰的特點(diǎn),且峰值點(diǎn)對(duì)應(yīng)于主要電場(chǎng)源的位置。

犧牲陽(yáng)極陰極保護(hù)狀態(tài)條件下,不同深度平面的水下電位信號(hào)如圖5 所示。對(duì)比圖4(g)與圖5可知,隨著測(cè)量深度的增加,水下電位信號(hào)逐漸平滑,即接近于偶極子產(chǎn)生的電位信號(hào)。

圖5 不同深度平面的水下電位信號(hào)(犧牲陽(yáng)極陰極保護(hù)狀態(tài))Fig.5 Underwater potential signals at different plane depths(sacrificial anode and cathode protection state)

3 海上試驗(yàn)

為了進(jìn)一步研究艦船靜態(tài)電場(chǎng)的特征,在某海域(水深30 m)布置一套水下電位測(cè)量陣列,該電位陣列共包含18 個(gè)電極,其中2 個(gè)為基準(zhǔn)電極(1 個(gè)基準(zhǔn)電極備用),16 個(gè)為測(cè)量電極,測(cè)量電極序號(hào)依次為1～16,測(cè)量電極之間的相鄰距離為5 m,基準(zhǔn)電極距離最近的測(cè)量電極90 m。16 個(gè)測(cè)量電極與基準(zhǔn)電極信號(hào)利用雙絞屏蔽電纜傳輸至岸上數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),系統(tǒng)采樣頻率為250 Hz,試驗(yàn)持續(xù)時(shí)間為140 d,期間獲取了大量海洋環(huán)境及艦船電場(chǎng)信號(hào)。測(cè)試期間,獲取了1～7 級(jí)海況條件下的海洋環(huán)境電場(chǎng)值,海洋環(huán)境電場(chǎng)時(shí)域波形有明顯周期,幅值均在10～40 μV 之間,4 級(jí)海況條件下的海洋環(huán)境背景值如圖6 所示。由圖6 可知,不同測(cè)量點(diǎn)的水下電位信號(hào)存在較強(qiáng)的相關(guān)性。對(duì)4 級(jí)海況其中1 個(gè)測(cè)量節(jié)點(diǎn)600 s 時(shí)間內(nèi)的電位信號(hào)計(jì)算其頻譜,結(jié)果如圖7 所示（圖中U(f)為頻率對(duì)應(yīng)的信號(hào)能量的加和，由圖7 可發(fā)現(xiàn),海洋環(huán)境電場(chǎng)的頻率主要集中在0.2 Hz以下頻段,與海浪的頻率分布一致。

圖6 海洋環(huán)境電位分布(4 級(jí)海況)Fig.6 marine environmental potential distribution(level 4 sea state)

圖7 海洋環(huán)境電位頻譜及累計(jì)能量占比(4 級(jí)海況)Fig.7 Spectrum and cumulative energy proportion of marine environmental potential(level 4 sea state)

圖8 為典型艦船通過(guò)時(shí)的水下電位信號(hào),圖中幅度進(jìn)行了歸一化處理。由圖8 可發(fā)現(xiàn),不同艦船通過(guò)時(shí)的水下電位信號(hào)通過(guò)特性明顯。圖8 中3 個(gè)目標(biāo)的平面電位峰-峰值變化曲線如圖9 所示。對(duì)圖8 中得到的平面電位信號(hào),選取峰-峰值最大的測(cè)線,計(jì)算其頻譜,結(jié)果如圖10 所示。由圖10 可知,艦船靜電場(chǎng)能量主要集中在0～0.1 Hz范圍內(nèi)。依據(jù)圖10 中的結(jié)果,計(jì)算其不同頻段內(nèi)的累計(jì)能量與總能量的比值,結(jié)果如圖11 所示。由圖11 中的結(jié)果可知,艦船靜電場(chǎng)能量主要集中在0～0.1 Hz 的頻段范圍內(nèi),這為以低頻頻段內(nèi)的能量總和作為特征檢測(cè)艦船靜電場(chǎng)提供了可能和依據(jù)。

圖8 典型目標(biāo)水下電位分布Fig.8 Underwater potential distribution of typical targets

圖9 典型目標(biāo)水下電位峰-峰值變化曲線Fig.9 Underwater peak-to-peak potential curves of typical targets

圖10 典型目標(biāo)水下電位頻譜Fig.10 Underwater potential spectrum of typical targets

圖11 不同頻段內(nèi)累計(jì)能量與總能量比值Fig.11 Ratio of cumulative energy to total energy in different frequency bands

4 水下電位分布特征

在利用水下電位探測(cè)水下目標(biāo)時(shí),一是需重點(diǎn)關(guān)注水下電位隨深度距離的變化趨勢(shì),以明確目標(biāo)信號(hào)的幅度是否具有可測(cè)性;二是需要關(guān)注某一深度平面的水下電位橫向分布特征,以明確測(cè)量電極之間的距離。

由上文分析可知,隨著測(cè)量深度的增加,艦船電場(chǎng)可近似為偶極子場(chǎng),取水平偶極子的源強(qiáng)度為10 A·m,依據(jù)文獻(xiàn)[9]中的方法,對(duì)其在“空氣-海水-海底”3 層介質(zhì)模型中的電場(chǎng)分布建模計(jì)算,則海底0.5 m 以上深度平面電位幅度值隨海水深度的變化曲線如圖12 所示(1 dB 對(duì)應(yīng)1 μV),其中,海水電導(dǎo)率為4 S/m,海底電導(dǎo)率為0.1 S/m,由圖12可發(fā)現(xiàn),在深度240 m 平面產(chǎn)生的電位幅度值為15 dB,具備可測(cè)可探的能力。

圖12 10 A·m 的水平電偶極子電位幅度值隨深度變化曲線Fig.12 Variation of the potential amplitude of 10 A·m horizontal electric dipole with depth

圖13 為不同深度、不同正橫距條件下電位幅度值隨正橫距的變化曲線,由圖13 可知,隨著測(cè)量深度的增加,同一正橫距測(cè)線電位幅度值呈減小趨勢(shì),在同一深度平面,隨著正橫距的增加,不同測(cè)線的電位幅度值逐漸減小,為了準(zhǔn)確探測(cè)幅度為6 dB 的水下電位信號(hào),在保證6 dB 信噪比條件下,將檢測(cè)門(mén)限設(shè)定為12 dB,則在240 m 以淺深度,相鄰傳感器之間的距離不大于320 m 時(shí),傳感器陣列才能準(zhǔn)確探測(cè)水面等效源強(qiáng)度為10 A·m 的艦船電場(chǎng),并實(shí)現(xiàn)對(duì)局部航行區(qū)域的警戒封鎖。

圖13 不同正橫距條件下電位幅度值隨正橫距變化曲線Fig.13 Variation of potential amplitude with different positive transverse distances

5 結(jié)束語(yǔ)

為全面掌握艦船靜電場(chǎng)信號(hào)特征,在電場(chǎng)測(cè)量陣列的測(cè)量基礎(chǔ)上,對(duì)船模試驗(yàn)和實(shí)船試驗(yàn)結(jié)果中的艦船靜電場(chǎng)水下電位信號(hào)進(jìn)行特征分析。研究結(jié)果表明,陰極保護(hù)系統(tǒng)對(duì)艦船水下靜電場(chǎng)信號(hào)的量級(jí)影響較大,艦船在通過(guò)電位測(cè)量陣列時(shí),靜電場(chǎng)信號(hào)有明顯的時(shí)域和頻域特征,從頻域上看能量主要集中在0～0.1 Hz 頻段,且在240 m 以淺深度,相鄰傳感器間距不大于320 m 時(shí),傳感器陣列才能準(zhǔn)確探測(cè)水面等效源強(qiáng)度為10 A·m 的艦船電場(chǎng)。下一步可在水下電位分布特征的分析結(jié)果基礎(chǔ)上,對(duì)測(cè)量陣列在海洋環(huán)境中的靜電場(chǎng)探測(cè)距離進(jìn)行驗(yàn)證。