电磁脉冲渗透钢筋混泥土建筑外文翻译资料
2022-11-18 07:11
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电磁脉冲渗透钢筋混泥土建筑
A. REINEIX, A. BOIJAUD, AND B. JECKO
摘要：本研究的目的是对钢筋混凝土建筑的电磁脉冲(EMP)进行保护。我们想要用平行的导线来定义建筑内部的电磁场，因为混凝土本身的衰减通常会被忽略。利用时域内的积分方程来解决问题。运用拉格朗日插值多项式的方法，对这些方程进行了数值求解。介绍了在建筑保护领域的应用。
关键词：电磁脉冲，屏蔽，网格线，钢筋混泥土建筑
一、引言
为了防止电磁脉冲(EMP)的发生，研究混凝土建筑内部的渗透是很重要的。为了简化，建筑物的墙壁将被减少到他们的电枢。一方面，我们将研究一组连接的光栅的特性(图1)，另一方面，复杂的平面结构，例如在一个大口径的建筑物中。在本研究中，我们将通过导线比观测点的距离更长来避免边缘效应。此外，照明将被假定为均匀的平面光栅(垂直入射)。
图1如下：
图1：电线模型：(a)平面光栅；(b)加入了光栅的一组
在理论研究中，线结构的行为可以被看作是一种暂时的电磁波衍射。这个问题分两步解决：首先，每根导线的电流测定；然后，利用辐射积分进行场计算。
一些例子显示了一个网格的平均参数的影响(线之间的距离，导线半径，观察点的位置)。然后研究与实际建筑有关的问题(光阑；在墙壁上的多重反射效果)。
二、理论
1、问题阐述
当入射波向一个完全导电的单一障碍物发出信号时，这个波会在障碍物表面产生一个密度矢量j的电流。当这个障碍物由圆柱形和平行的导线结构构成时，这些导线包含如下公式所给出的电流
（1）
其中
C 是线的横截面框架；
s 是线的曲线横坐标；
J 是向量的大小；
是点在C帧。
每条线将被假定为薄，这意味着当前的向量密度将只有一个组件跟随导线[1],[2]。
积分方程的解析度，将假设已知电流I，然后给入射场、电磁场在P点上以及在空间中的某个位置，作为电流I的函数。
叠加定理给出了如下公式：
（2）
（3）
与
（4）
其中L是时域的向量线性积分微分算子[3]。在确定了L之后，下面的公式（5）给出了完全导电线表面S的极限条件。
（5）
是线上的M点在曲线轴上的切线向量。公式(5)用公式(2)和公式(4)给出了由验证的积分微分方程。
2、积分方程的形式
这些方程是建立在无限导线上的；只要边缘效应最小，该解决方案将与用Miller的方程(3)得到的一模一样。
（1）目前的积分方程：利用米勒方程得到的任何直径的圆柱形障碍物的衍射：
（6）
是在二维中的格林函数。
在细线的情况下[4]
（7）
a是导线半径。
使用这一结果的n线网格收益率
（8）
其中
是线k的半径；
是线k和之间的距离；
是线k上面的点。
（2）辐射场：由于对称的原因，无限长的n线结构所辐射的场只有一个与轴平行的分量。衍射场由以下公式给出：
（9）
是点P到点的距离。通过衍射场的计算得到辐射场，假设已知事件场。
图2：事件场的时间演化：;;;;
三、数值解析
用矩阵法求解上述方程[5]，结合拉格朗日插值法[6]。所使用的入射波为EMP 场幅值。
在空间点处的形状(如上图2所示)：
（10）
1、方法的有效性
一些预防措施对于解决这些方程是必要的。采样步骤必须足够小，采样入射波，这是一个EMP，其上升时间为几纳秒。此外，这一步必须小于或等于钢丝最小间距。
网格平面的使用(图3和图4)显示了考虑样本步骤的结果的收敛性。由于每根导线之间的电压差，我们注意到不同的峰值。
图3：平面光栅由N线构成，半径为
图4：P(图3)电场的时间演化作为时间()的dt分割函数：
d = 0.02 m;d = 0.04 m;d = 0.05 m;特征a = 0.005 m，导线间距离D = 0.2m
为了验证该方法的有效性，可以通过对有限导线的铣床方法得到的结果进行比较。如果这些电线足够长，最终效果将会很小，因此，电线将被认为是无限的。这一对比在两个角网格上进行(图5)。结果与Miller的方法吻合较好，但计算时间少，内存少(图6)。
图5：2个加入的网格构成的结构特征。D = 0.2 m,a = 0.01 m,；
P的坐标：= 0 m,= 0.8 m
2、电网的特性响应
本研究与具有以下特征的平面光栅有关(图3)：a是半径的导线；D是两条电线间的距离；N是线结构的数目；L是线的长度。观测点P是由它的坐标来在轴系统中设置。选择电线的数量，使网格可以被认为是无限的。
- 网格步距的影响：图7显示了根据网格线之间距离的最大透射场的演化。这条曲线给出的D小于0.1 m的结果是不可接受的。在这种情况下，它们是近似于细线的无效性。
图6：用(8)和Miller方程对结构响应的研究结果进行比较(图5)
图7：衰减因子是两根线之间距离d的函数
- 观测点的影响：离网越远，透射场的最大值变化不大；靠近网格，它的变化很大，取决于观测点的位置(在两根导线之间或在导线的阴影中)(图8)。
图8：衰减是距离网格的距离的函数
3、实验检查
用于实验检查的仿真器是一个具有水平极化(双锥形天线)的双重线。发电机大约30米高，当它到达试验区时，产生一个可以被认为是平面的波。产生的电场约为5kv /m，在到达网格时，其上升时间为5 ns。网格是由6米长，直径10毫米的铁棒组成的，固定在一个木制底座上。铁棒的间距为0.4 m，在地面上放置了3米，对地面反射的影响很小。
- 电流测量：图9显示了网格中心杆上的电流。所得到的理论结果也显示在图中。结果是一致的。
图9：理论与实验的比较。实验结果：理论结果与Miller方程结果一致
- 栅格透射场测量：电场传感器在网格下放置0.4 m。示波器给出了在集成时显示在图10中的派生信号。
实验测定了2.75 ns的发射场上升时间，但传感器规范中给出的上升时间为2.7 ns。我们能得出的唯一结论是，传输场的实际上升时间低于2.7 ns。
图10：理论与实验结果的比较 图11：有大口径的遮蔽物
图12：在P点的遮蔽处的总磁场
四、这些研究应用于EMP在建筑物内的渗透
钢筋混凝土包括在建筑物周围形成屏蔽的金属栅格。我们首先考虑的是直接影响，不包括内墙的反射；稍后，我们将建模更复杂的结构。可以考虑其导电性能的地面。
1、直接影响
一种混凝土建筑，由垂直于墙的入射波照明，并与导线平行，可以通过平面线网或角线网格来建模。结果如上面所提到的。他们给我们确定了一个对科学家有用的传输因子。也有可能研究非平行极化的情况或平面正交线的两个分离网格的情况[7]。
2、多重影响
下面的例子展示了在更复杂结构的情况下该领域的发展。在具有大孔径的结构(图11和12)中，我们看到了结构底部反射所给出的场的重要性。对于在中心测量的场，我们注意到结果是有效的，只要线可以被认为是无限的。
对于闭合结构(图13和图14)，结果的有效性是相同的。该场的波形显示了由于结构内部波的反射而产生的周期性频率。
图13：很高的楼
图14：在点P的建筑物内的总磁场
五、总结
从米勒方程出发，利用时空积分方程对问题进行了理论研究。这些等式可以在较短的时间内由计算机解决。这项研究让我们定义了一个网格传输因子，它允许我们快速评估EMP通过屏蔽的穿透。
对理论结果进行了实验研究。对于电流，结果是令人满意的；对于透射场来说，它们不是很有用，因为传感器在足够短的时间间隔内没有响应。这些研究表明，这些研究可以应用于各种形状的建筑物。注意，混凝土本身的损失没有考虑到[8]。通常情况下，与金属屏蔽相比，混凝土的衰减是可以忽略不计的。
六、感谢
作者衷心感谢所有来自格拉玛研究中心的M. Drouilla， M. Cantaloube和M.Lasserre。
参考文献：
[1] B. Jecko, 'Diffraction dondes electromagnetiques impulsionnelles par des obstacles m6talliques,' Ann. Telecommun. (France), vol. 38, no. 5-6, pp. 215-225, 1983.
[2] A. Castenot, These de Doctorat de 3eme cycle, Universite de Limoges, Limoges, France, no. 35-83, 1983.
[3] J. A. Land, E. K. Miller, and M. Van Blaricum, 'A computer program for the time domain electromagnetic response of thin wire structures,'Lawrence Livermore Lab., Livermore, CA, Rep. VCRL 51585, 1974.
[4] B. Pecqueux, These de Doctorat de 3eme cycle, Universite de Limoges, Limoges, France, no. 17-82, 1982.
[5] R. F. Harrington, Field Computation by Moment Method. New York: Macmillan, 1968.
[6] A. Angot, Complement de Mathe6matiques. Paris, France: Masson, 1965.
[7] A. Castenot and B. Jecko, 'P6n6tration dimpulsions electromagn6ti-ques a linterieur des batiments en b6ton armn,' Ann. Telecommun.(France), vol. 39, no. 9-10, pp. 447-456, 1984.
[8] B. Jecko, M. P. Gourdy, and F. Maumy, 'Diffraction dondes electromagnetiques transitoires a la survace de separation entre deux dielectriques,' presented at Colloque Optique Hertzien et Dielectri-ques, Bordeaux, France, Sept. 1983.
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