海水中舰船极低频电场的产生与控制

海水中舰船极低频电场的产生与控制

1船舶水下电场测量与消极技术的研究在海上环境中产生的造船厂为船舶造船厂。它包括静电场(UEP)和极低频电场(ELFEF)。由于舰船极低频电场在海水中能够传播到很远的距离,随着现代传感器技术和信号处理技术的发展,这种极低频特征电场信号可成为水中兵器和目标追踪的信号源。从50年代起,美国、英国、加拿大、澳大利亚和前苏联等国家就非常重视舰船水下电场的研究,从舰船电场的测量到消除方法的研究,都已取得了很重要的成果,并已应用到舰船的装备上。因此,在我国舰船水下极低频电场的测量及其抵消方法的研究迫在眉睫,这对我国新型水中兵器的研制,水下目标的监测以及舰船隐身技术的发展,对于舰船生命力的提高都具有极其重要意义。本文利用按实船成比例缩小的船模,在实验室测量了船模的腐蚀电流和外加防腐电流经螺旋桨旋转的调制后产生的极低频电场及其谐波成分,为海上实测舰船极低频电场,为螺旋桨调制极低频电场的数学建模及其消除方法的研究奠定了一定的基础。2用螺旋转轴子密度作为颗粒的过滤器由于不同金属在海水中的化学活动性不同,因而当它们浸泡在海水中时,会因水化作用而产生不同的电极电位。因此,当不同的金属在海水中形成闭合回路时,就会因电化学反应而产生腐蚀电流。由于舰船船体各部分由不同金属材料(如青铜制螺旋桨和船体的钢板)制成,而它们又是电接触的,从而在海水中构成了闭合回路。因此,船体的不同结构之间就会发生腐蚀,在海水中产生腐蚀电流。同时,为了防止船体的腐蚀,人为外加的被动或主动阴极保护系统也会在海水中产生电流。这些电流都会经海水从船壳流向螺旋桨,然后通过各种轴承、密封和机械线路从螺旋桨返回到船壳,如图1所示。此回路的电阻抗RB会随着螺旋桨轴承的旋转而发生周期性的变化,从而使流经海水的电流受到调制,在海水中形成以螺旋桨转速为基频的极低频电磁场。由于其频率很低,在海水中衰减很慢,这些极低频电磁场及其谐波会由船体向外传播到很远的距离,从而成为可远距离检测的信号源。3试验设计与实验测量结果的分析3.1实船模和桨叶实验硬件设施包括无磁性实验水池、实验船模和电场测试系统等部分。无磁性实验水池的长、宽、深分别为8m、5m、1.5m。在水池中放入0.8m深的水,倒入工业盐,并将其电导率调配为3.66(Ω·m)-1,用来仿制海水。实验船模由实船按比例缩小制得,船长1m,船壳由钢板构成,并在其外包一层锌皮,目的是为了增大腐蚀电流,从而更易于实验测量。其螺旋桨有四片桨叶由铜制得。带动螺旋桨转动的菲利浦交流电机的转速经减速箱减速后约为160r/min。电极支架由绝缘塑料和胶木棒做成,电极间距和位置在支架上可调。金属架由铝制成用于固定船模和电极支架。3.2调理电路和转换电路电场测试系统如图2所示。该系统主要包括以下几个部分:三轴电场传感器为高灵敏度的Ag/AgCl电极,用于测量水中两点间的电位差。电极的电位偏差为±4mV,电极的内阻≤10kΩ,液络部流量≤0.05ml/min,稳定性为±3mV/7h。信号调理电路包括放大和滤波两部分。前置放大用低噪声低功耗的仪表放大器AD620,仅需一个外接电阻即可实现放大功能,外接电阻RG与放大倍数G之间的关系为:RG=49.4kΩ/(G-1)。带通滤波由两个二阶低通和一个二阶高通有源滤波器串联而成,其带宽为1.5Hz～25Hz。整个电路的放大倍数约为1000倍。A/D转换器,选用AC1077高精度50kHz16位A/D板,其输入的电压范围为0～±10V;通道输入采用可编程16路单端输入或8路差分输入;启动方式有:软件启动、定时器启动、外触发启动和BURST(突发)模式;转换结束判断方式包括查询和中断两种方式。本系统采用4通道单端输入,定时器启动方式。同轴电缆,长12m,用于传送数据,同时减小外界环境电磁噪声的干扰。计算机,用于控制A/D转换以及数据采集与处理。3.3载荷的测量过程将船模固定在金属架上后放人实验水池中,并让船壳的下半部分和螺旋桨浸泡在水中,螺旋桨位于水下8cm处。同时将已连接好同轴电缆的Ag/AgCl电极装在三轴电极支架上,其水平电极之间的距离为25cm,垂直电极之间的距离为20cm,然后将电极支架固定在金属架上,使得水平电极位于水下32cm处,如图3所示。将同轴电缆连接到信号调理电路板上,并将电路板的输出端与插在计算机里的A/D转换板相连,然后接通电源准备测量。设定A/D板的采样频率为100Hz。先不给船模上的电动机供电,测量螺旋桨不转动时两电极间的电位差,即测量环境背景干扰,其结果如图4虚线所示(图中横坐标t为时间)。然后,启动船模上电机,转动螺旋桨,测量两电极间的电位差,即测量螺旋桨调制ELF信号,其结果如图4实线所示。在船模尾部靠近螺旋桨处用一碳棒向水中施加电流,用来模拟舰船的主动阴极保护系统,测量外加电流经螺旋桨转动的调制后产生的极低频电场。按同样的方法先测量加电流后螺旋桨不转动时的环境背景噪声,如图5虚线所示。然后再测量螺旋桨转动后调制外加电流产生的极低频信号,如图5实线所示。3.4极低频电场的产生由采集数据的波形图4和图5可以看到,不论是腐蚀电流还是外加防腐电流,经螺旋桨转动的调制后均会在海水中产生呈周期性变化的电场信号。船模螺旋桨转动时电极之间的电位差明显比螺旋桨不转时为大,并且信号波形呈周期性有规律的变化。由此可见,由于螺旋桨转轴和船体之间的电阻抗因螺旋桨转动呈现周期性的变化,调制了流经海水中的电流,从而在海水中产生了以螺旋桨转动的频率为基频的极低频电场,并由船体向外辐射。还有,从信号频谱图6和图7可以看到(图中横坐标f为频率),螺旋桨调制腐蚀电流和防腐电流在海水中产生的极低频电场,不仅以螺旋桨转动的频率向海水中传播,而且还含有丰富的谐波(螺旋桨转动频率的倍频)成分。4极低频电场的产生本文通过实验室实际测量了海水中舰船船模的螺旋桨转动调制产生的极低频电场。由测量得到的数据显然可见,船壳和螺旋桨之间的腐蚀电流和外加的防腐电流经螺旋桨旋转的调制后会产生以螺