李荣基，尤文斌，丁永红，秦 昊，卢晓洋

(1.中北大学 电子测试技术重点实验室，太原 030051；2.中北大学 电气与控制工程学院，太原 030051)

1 引言

弹药爆炸时会伴有强电磁场和强电磁辐射，这往往对测试系统产生极大地影响，影响测试结果的质量。学者Boronin做过炸药爆炸过程产生电磁辐射的机理，证明爆炸时的确伴随有强的电磁场。崔元博等对爆炸产生的电磁辐射信号进行了测量及分析。爆炸产生的电磁辐射信号频率多为100 MHz以内的，其中50 MHz以下的频段能量分布最为明显，可持续到爆炸后几十毫秒。曹景阳等对航天级火工品爆炸产生的电磁辐射进行测量，结果表明爆炸几十毫秒后仍有较强的电磁辐射，辐射的幅度变化范围从10V/m到10V/m不等。

目前，在冲击波超压数据测试系统的设计当中，通过特殊防护壳体设计、系统电路缓冲灌封等方法仅仅是初步解决测试系统在恶劣环境中的生存问题，而较少考虑减小甚至消除电磁辐射带来的影响。冲击波信号伴随强电磁场测试环境，不采取措施会对测试信号带来强大干扰。赵灵智等设计电磁屏蔽体、构建光纤以太网络等办法应对强磁场环境。在保证装置体积质量一定的情况下，本文提出了一种铝与坡莫合金组成的双层屏蔽结构，用于存储测试装置，以减小电磁干扰对测试的影响。本文模拟弹药静爆时产生的电磁辐射，分别对3种壳体进行了仿真，最后通过实验证明本双层壳体的屏蔽效果远高于铝、钢的单层屏蔽结构。

2 电磁屏蔽

电磁屏蔽，即利用屏蔽体的反射、衰减等使得电磁辐射场源所产生的电磁能流不进入被屏蔽区域。通常，屏蔽材料对空间某点的屏蔽效果用屏蔽效能SE(Shielding Effectiveness,dB)表示。

S.A.Schelkunoff电磁屏蔽理论认为，电磁波传播到屏蔽材料表面时，通常有3种不同机理进行衰减: 未被反射而进入屏蔽体的吸收损耗；在入射表面的反射损耗；在屏蔽体内部的多重反射损耗，如图1所示。

图1 电磁屏蔽机理示意图

电磁屏蔽的作用就是体现在表面反射损耗、吸收损耗和内反射损耗上，所以将这三者分别称为 电磁屏蔽效能的第一机理、第二机理和第三机理。

综上所述，电磁屏蔽效能可用下式表示

=··或=++

(1)

式中：是反射损耗;是吸收损耗;是多次反射损耗。当>10 dB时，可以忽略。

对于点源表面反射损耗:

(2)

式中：距离的单位为m，频率的单位为Hz；是相对磁导率；是相对电导率。

吸收损耗计算:

(3)

式中：屏蔽体厚度的单位为mm。开口处的屏蔽效能。

(4)

式中：是开口处的反射损耗；是空间开口处的波阻抗与空间入射波的波阻抗之比=669×10·；是开口的长度(cm)；是频率；是开口的深度(cm)。从公式可以看出，相对磁导率和电导率是影响材料的磁屏蔽性能的关键因素。铝、钢以及坡莫合金3种材料中，坡莫合金的相对磁导率最大，而磁导率越大，屏蔽效能越好。

假设不考虑从不同路径透入屏蔽体空间内的电磁场差异，则可按下式计算实际屏蔽体的屏蔽效能。

(5)

3 测试装置的电磁仿真

3.1 电磁屏蔽模型

自由场测压大大减少了地面反射所造成的误差，从而提高了测试的精确性。在爆炸试验开始前，将记录仪安装到与爆心同高的测点位置。Ansoft Maxwell是世界著名的低频电磁场有限元软件之一，在各个工程电磁领域都得到了广泛的应用。它基于麦克斯韦微分方程，采用有限元离散形式，将工程中的电磁场计算转变为庞大的矩阵求解。在对实际实验过程电磁仿真，为了尽可能符合规律，对各距离参数进行适当的放缩。

在三维瞬态场器中采T-Ω用算法，可以用局部剖分发来计算三维瞬态运动带来的效应。麦克斯韦方程可以写为下式:

(6)

也可化为2个恒等式，如下式子。

(7)

在求解三维瞬态磁场时，其棱边上的矢量位自由度采用了一阶元计算，而节点上的标量位自由度采用二阶元计算。

图2为本文所讨论的壳体结构图，单层壳体结构上半部分是鱼嘴形状，顶部有传感器连接口，下半部分是圆柱状，底面有读数口，充电口以及指示灯口，如图2、图3所示。装置传感器安装口直径为23 mm，长度为23 mm。装置电路板放置区直径为30 mm，长度为90 mm。双层屏蔽是在单层的基础上加了一层厚度为3 mm的坡莫合金，如图4所示。

图2 壳体剖面图

图3 单层壳体仿真模型示意图

图4 双层屏蔽结构仿真模型示意图

3.2 爆炸电磁场屏蔽性能数值仿真

本文仿真中干扰源使用的是点源，是由在距离地面1.5 m的位置由一个模拟药柱产生，与装置的水平距离是10 m。电磁场是由持续20 ms的阶跃电压信号。铝的相对磁导率为1.000 021，质量密度2 689 kg/m；钢的相对磁导率是根据BH曲线的变化过程所得，质量密度为7 282 kg/m；坡莫合金的相对磁导率为100 000，质量密度为0.009 8 kg/m。内部放置的电路板长35 mm，宽20 mm，厚度为2 mm。创建计算区域(Region)Padding Percentage：10%，材料为空气。网格的大小为10 mm，计算的总时间为20 ms，步长为0.000 2,如表1所示。

表1 信号源参数

在仿真中，虽然模型采用了1∶1的方式，但是由于爆炸场的复杂性，结果与实际会有一定误差。对不同壳体材料的装置内部电路板上磁场强度变化结果如图5～图7所示。

图5～图7分别是3种材料在在仿真中的实验结果图，将外部的壳体隐去，云图只显示内部电路板在爆炸场中的磁感应强度的变化。

由表2可知，钢壳内电路板上最大磁感应强度为1.960 1×10T；铝壳的则最大为3.339 1×10T；采用双层屏蔽的电路板上最大为5.760 5×10T。双层结构是磁屏蔽效果最好，铝壳的电磁屏蔽性最差。其中，双层屏蔽结构的装置内电路板的磁场强度是其他2种的万分之一。

图5 铝壳内电路板磁场变化图

图6 钢壳内电路板磁场变化图

图7 双层屏蔽壳体内磁场变化图

表2 不同材料壳体内电路板磁场变化

根据式(1)～式(5)可求得，3种外壳的电磁屏蔽效能分别是19.29 dB、43.39 dB、531.67 dB。双层屏蔽的效果远超单层壳体。

图8是电路板上磁场强度随时间变化曲线，反应了最大磁场位置在3种壳体下的磁场强度随时间变化图。

图8 不同材料壳体内电路板固定点磁场变化曲线

4 实验

在某测试场进行了试验验证，试验选取同一种弹药，在距爆心10 m处放置3种壳体不同的装置，放置如图9所示，从左到右依放置的装置为铝壳、钢壳以及双层屏蔽结构。

测试结果如图10所示，自上而下装置壳体材料分别为铝、钢以及铝加坡莫合金。装置采用相同的模拟电路和数字电路，且外接相同的传感器。从图中可以看出，三者相比，铝壳装置明显存在较多的噪声。对于3种的壳体测得的信号求取信息熵，依次分别是2.240 7 bit、4.313 2 bit和7.201 1 bit。铝壳测得超压信号混杂的噪声最多，噪声信号占到68%，钢壳的占到30%，双层屏蔽的占到5%。双层屏蔽装置的信息熵大于另外两者。

图9 实验布置图

图10 测试结果曲线

得到的数据经过小波变换处理后如图11所示，本文采用4层小波变换对原始信号进行处理。经过处理后，将噪声信号与有效的超压信号分离，保留了超压信号的有效部分。由于实验条件的有限，不能得出不同当量对测试结果的影响具体关系，可以在后续的工作，仍有待进一步深入。

图11 数据处理结果曲线

5 结论

实验测得数据中铝壳装置的信噪比为-10.10 dB，钢壳装置为 -3.419 6 dB，双层屏蔽为25.86 dB。铝壳和钢壳装置测到的数据受到的电磁干扰较大，而双层屏蔽的信号则几乎没有噪声混叠。本文双层屏蔽结构有效提高电磁屏蔽效能，减小爆炸场电磁辐射对测试信号的影响。

由3种情况超压信号波形看，使用双层屏蔽结构的装置由于受到强电磁场环境干扰小，信息熵是三者最大的，超压峰值并没有受到电磁干扰的影响。对电磁屏蔽性能要求高的测试装置，使用坡莫合金等高磁导率低密度材料，通过双层屏蔽结构设计，可以保证质量和体积一定的情况下，减小强电磁场干扰。