海水中艦船極低頻電場的產生與控制

1船舶水下電場測量與消極技術的研究在海上環境中產生的造船廠為船舶造船廠。它包括靜電場(UEP)和極低頻電場(ELFEF)。由于艦船極低頻電場在海水中能夠傳播到很遠的距離,隨著現代傳感器技術和信號處理技術的發展,這種極低頻特征電場信號可成為水中兵器和目標追蹤的信號源。從50年代起,美國、英國、加拿大、澳大利亞和前蘇聯等國家就非常重視艦船水下電場的研究,從艦船電場的測量到消除方法的研究,都已取得了很重要的成果,并已應用到艦船的裝備上。因此,在我國艦船水下極低頻電場的測量及其抵消方法的研究迫在眉睫,這對我國新型水中兵器的研制,水下目標的監測以及艦船隱身技術的發展,對于艦船生命力的提高都具有極其重要意義。本文利用按實船成比例縮小的船模,在實驗室測量了船模的腐蝕電流和外加防腐電流經螺旋槳旋轉的調制后產生的極低頻電場及其諧波成分,為海上實測艦船極低頻電場,為螺旋槳調制極低頻電場的數學建模及其消除方法的研究奠定了一定的基礎。2用螺旋轉軸子密度作為顆粒的過濾器由于不同金屬在海水中的化學活動性不同,因而當它們浸泡在海水中時,會因水化作用而產生不同的電極電位。因此,當不同的金屬在海水中形成閉合回路時,就會因電化學反應而產生腐蝕電流。由于艦船船體各部分由不同金屬材料(如青銅制螺旋槳和船體的鋼板)制成,而它們又是電接觸的,從而在海水中構成了閉合回路。因此,船體的不同結構之間就會發生腐蝕,在海水中產生腐蝕電流。同時,為了防止船體的腐蝕,人為外加的被動或主動陰極保護系統也會在海水中產生電流。這些電流都會經海水從船殼流向螺旋槳,然后通過各種軸承、密封和機械線路從螺旋槳返回到船殼,如圖1所示。此回路的電阻抗RB會隨著螺旋槳軸承的旋轉而發生周期性的變化,從而使流經海水的電流受到調制,在海水中形成以螺旋槳轉速為基頻的極低頻電磁場。由于其頻率很低,在海水中衰減很慢,這些極低頻電磁場及其諧波會由船體向外傳播到很遠的距離,從而成為可遠距離檢測的信號源。3試驗設計與實驗測量結果的分析3.1實船模和槳葉實驗硬件設施包括無磁性實驗水池、實驗船模和電場測試系統等部分。無磁性實驗水池的長、寬、深分別為8m、5m、1.5m。在水池中放入0.8m深的水,倒入工業鹽,并將其電導率調配為3.66(Ω·m)-1,用來仿制海水。實驗船模由實船按比例縮小制得,船長1m,船殼由鋼板構成,并在其外包一層鋅皮,目的是為了增大腐蝕電流,從而更易于實驗測量。其螺旋槳有四片槳葉由銅制得。帶動螺旋槳轉動的菲利浦交流電機的轉速經減速箱減速后約為160r/min。電極支架由絕緣塑料和膠木棒做成,電極間距和位置在支架上可調。金屬架由鋁制成用于固定船模和電極支架。3.2調理電路和轉換電路電場測試系統如圖2所示。該系統主要包括以下幾個部分:三軸電場傳感器為高靈敏度的Ag/AgCl電極,用于測量水中兩點間的電位差。電極的電位偏差為±4mV,電極的內阻≤10kΩ,液絡部流量≤0.05ml/min,穩定性為±3mV/7h。信號調理電路包括放大和濾波兩部分。前置放大用低噪聲低功耗的儀表放大器AD620,僅需一個外接電阻即可實現放大功能,外接電阻RG與放大倍數G之間的關系為:RG=49.4kΩ/(G-1)。帶通濾波由兩個二階低通和一個二階高通有源濾波器串聯而成,其帶寬為1.5Hz～25Hz。整個電路的放大倍數約為1000倍。A/D轉換器,選用AC1077高精度50kHz16位A/D板,其輸入的電壓范圍為0～±10V;通道輸入采用可編程16路單端輸入或8路差分輸入;啟動方式有:軟件啟動、定時器啟動、外觸發啟動和BURST(突發)模式;轉換結束判斷方式包括查詢和中斷兩種方式。本系統采用4通道單端輸入,定時器啟動方式。同軸電纜,長12m,用于傳送數據,同時減小外界環境電磁噪聲的干擾。計算機,用于控制A/D轉換以及數據采集與處理。3.3載荷的測量過程將船模固定在金屬架上后放人實驗水池中,并讓船殼的下半部分和螺旋槳浸泡在水中,螺旋槳位于水下8cm處。同時將已連接好同軸電纜的Ag/AgCl電極裝在三軸電極支架上,其水平電極之間的距離為25cm,垂直電極之間的距離為20cm,然后將電極支架固定在金屬架上,使得水平電極位于水下32cm處,如圖3所示。將同軸電纜連接到信號調理電路板上,并將電路板的輸出端與插在計算機里的A/D轉換板相連,然后接通電源準備測量。設定A/D板的采樣頻率為100Hz。先不給船模上的電動機供電,測量螺旋槳不轉動時兩電極間的電位差,即測量環境背景干擾,其結果如圖4虛線所示(圖中橫坐標t為時間)。然后,啟動船模上電機,轉動螺旋槳,測量兩電極間的電位差,即測量螺旋槳調制ELF信號,其結果如圖4實線所示。在船模尾部靠近螺旋槳處用一碳棒向水中施加電流,用來模擬艦船的主動陰極保護系統,測量外加電流經螺旋槳轉動的調制后產生的極低頻電場。按同樣的方法先測量加電流后螺旋槳不轉動時的環境背景噪聲,如圖5虛線所示。然后再測量螺旋槳轉動后調制外加電流產生的極低頻信號,如圖5實線所示。3.4極低頻電場的產生由采集數據的波形圖4和圖5可以看到,不論是腐蝕電流還是外加防腐電流,經螺旋槳轉動的調制后均會在海水中產生呈周期性變化的電場信號。船模螺旋槳轉動時電極之間的電位差明顯比螺旋槳不轉時為大,并且信號波形呈周期性有規律的變化。由此可見,由于螺旋槳轉軸和船體之間的電阻抗因螺旋槳轉動呈現周期性的變化,調制了流經海水中的電流,從而在海水中產生了以螺旋槳轉動的頻率為基頻的極低頻電場,并由船體向外輻射。還有,從信號頻譜圖6和圖7可以看到(圖中橫坐標f為頻率),螺旋槳調制腐蝕電流和防腐電流在海水中產生的極低頻電場,不僅以螺旋槳轉動的頻率向海水中傳播,而且還含有豐富的諧波(螺旋槳轉動頻率的倍頻)成分。4極低頻電場的產生本文通過實驗室實際測量了海水中艦船船模的螺旋槳轉動調制產生的極低頻電場。由測量得到的數據顯然可見,船殼和螺旋槳之間的腐蝕電流和外加的防腐電流經螺旋槳旋轉的調制后會產生以螺