论文总字数：19710字

目 录

一.引言 1

二.电磁屏蔽、水泥墙与雷电的简介 3

2.1电磁屏蔽的概念及原理 3

2.2电磁屏蔽的目的及屏蔽效能 3

2.3水泥墙的简介 4

2.4水泥墙电磁屏蔽理论方法 5

2.5 雷电的简介 6

2.5.1 起电机制以及起电学说 6

2.5.2 闪电的分类 7

2.5.3 雷电的危害 7

三.Maxwell方程的FDTD形式 9

3.1Yee元胞与Maxwell方程 9

3.2三维情况 11

3.3一维情况 13

3.4数值稳定性 14

四.水泥墙屏蔽衰减模型 15

4.1吸收边界 15

4.2脉冲源 15

4.3快速傅里叶变换 17

五.仿真实例与结果分析 18

5.1厚度的影响 18

5.2电导率的影响 20

5.3介电常数的影响 22

六.结论 25

参考文献 26

致谢 27

水泥墙对雷电脉冲的衰减FDTD仿真

潘洪建

摘要：利用FDTD算法计算水泥墙对雷电脉冲的衰减。首先，从时域的角度给出了雷电脉冲的入射波和经水泥墙阻隔后的透射波。用离散傅里叶变换来对数据和波形处理，得出频域上的波形。屏蔽效能即用入射波除以透射波取对数后再乘以系数得到。最后，入射波选用雷电脉冲即典型正极性电压波形，本文共选取三种参数的变化来进行研究，第一种是相同介电常数和电导率但不同厚度的水泥墙，通过几种得出的衰减结果对比来得出水泥墙厚度对衰减效果的影响；第二种是不同电导率但介电常数、厚度相同的水泥墙，对其进行了电导率对衰减效能影响的实验；第三种是不同介电常数但电导率、厚度相同的水泥墙，对其进行了电导率对衰减效能影响的实验。

关键词：FDTD算法；雷电脉冲；衰减

Simulation of attenuation FDTD of concrete wall against lightning pulse

Hong-Jian Pan

School of Electronics and Information Engineering , NUIST, Nanjing 21004, China

Abstract: The attenuation of lightning pulse by cement wall is calculated by FDTD method. First of all, from the perspective of time domain, the incident wave of lightning impulse and the transmission wave after the barrier of cement wall are given. The data and waveforms are processed by the discrete Fourier transform, and the waveforms in the frequency domain are obtained. The shielding effectiveness is obtained by taking the logarithm of the incident wave divided by the transmission wave and then multiplying it by the coefficient. Finally, the incident wave is chosen lightning impulse that typical positive polarity voltage waveform, in this paper, the change of the three parameters are selected to carry out research, the first is the same but different thickness of dielectric constant and conductivity of concrete, through several to conclude the results of attenuation of cement wall thickness effects on attenuation effect; The second is the concrete wall with different conductivity but the same dielectric constant and thickness. The third is the concrete wall with different dielectric constants but the same conductivity and thickness.

Keywords: FDTD algorithm; Lightning impulse; Attenuation

一.引言

水泥墙在当今社会发展过程中占据着很重要的地位，现在的建筑基本上都是水泥墙。然而随着时代的发展，各种电磁污染也变的越来越多，电磁波在大气中传播的时候，遇到建筑会发生反射、散射和透射，产生一定的衰减屏蔽效果，因此也带起了水泥墙的发展，各种对水泥墙或者说是混凝土的研究都在兴起。

关于水泥墙对雷电脉冲的衰减的研究，首先介绍的是对混凝土材质方面的研究 ，例如有一项磁性混凝土的相关专利是由日本的Otsuka，Hiroshi^[1]；Haga，Akira^[2]公开的，它的主要内容是将混凝土和一些磁性流体或者是粒子混合起来，然后得到带有磁性的混凝土，这种带有磁性的混凝土能够进行屏蔽电磁波。其次，也有对混凝土墙的屏蔽效能进行直接的研究的，例如在做无穷大的钢筋混凝土层的屏蔽能力实验时，J.P.Bruhin^[3]和A.Reineix^[4]等人做了实验，然后得到了他们所需要的结果，但是他们的实验只是考虑了很少的因素影响，认为其他的因素都是理想状态，可以不用考虑，所以只能代表一部分的情况，不能包含所有的因素下产生的结果。Se-Young Hyun^[5]的实验则是关于屏蔽效果在多种钢筋结构下的变化从而得到结果。Elodie Richalot^[6]则是使用有限元法在理论上分析了钢筋混凝土墙中的电磁波的传输特性，得到了不同材质的钢筋混凝土对电磁波在传输方面的影响。国内方面，在对电磁脉冲屏蔽效能的研究方面，由周璧华^[7]教授等人研究的结果是，他们给出了典型结构尺寸的钢筋网的屏蔽效能以及由这种屏蔽效能随着测试的位置的不同而不同找出的一定的规律。他们采用的是时域有限差分算法和MPML吸收边界条件，对无穷大钢筋网、添加了钢筋的混凝土，还有只有混凝土的材料，解析其时域的波形，因此得出上述结论。可见，前人对混凝土的屏蔽效能做过不少的研究。

当然，雷电脉冲也是一种电磁波，在对雷电脉冲作用于墙体后得到的反射和透射的波形，张恒伟^[8]等人采用了FDTD算法和傅里叶变换来进行了比较全面的研究与分析。他们对计算的结果的分析研究则是采用了周期边界的方法，这样就能对各种材质的混凝土墙体对电磁脉冲的响应所获得的数值结果进行计算。他们得到的结论是：周期性，这一特性在混凝土墙的频域的波形是比较明显的特性，同时也存在着许多谐振频率，其大小由三种因素决定的，即混凝土墙的介电常数、磁导率和厚度。当想要提高混凝土墙的屏蔽效能时，混凝土墙的电导率则是必须要增加的，这样可以获得比较好的屏蔽效果。

随时代的进步，电子设施的功能变得更强，构造也更繁杂，成本越来越低，电磁利用越来越多。各种设备的抗电磁干扰和兼容性的研究备受关注；电磁辐射导致人体健康的威胁也是现在研究的热门。因此，电磁的各种特性以及预测也是一个热门研究课题。所谓预测，就是求解麦克斯韦方程在不同边界条件下的结果。一般分析方法有各种各样的限制，比如环境，成本等。所以一般我们使用数值分析法。时域有限差分算法的优点则是具有原理直观，实用性强等优点，目前已经广泛应用于散射和雷达等方面，并进行运算处理，各向异性介质和色散介质等各个方面的电磁理论研究领域，是计算电磁的一种重要的方法。时域有限差分法因具有多种优点被应用到电磁场理论研究的各个方面，而且它的使用的效果和应用的领域还在继续扩大和提高，在各个领域的重要性越来越突出。

本文首先建立了模型来对水泥墙进行模拟，在入射波的传播方向上，模型的两端都放置了吸收边界PML，在除了入射方向的另外两面上，采用了PBC周期边界，这样的话，我们可以把这个水泥墙当作是无限大的、周期性的，在雷电脉冲这种电磁波的传播过程中也会产生绕射，而我们这个模型会将这种绕射的干扰尽量的避免，不用考虑它的影响。为了使时域波形能够直接让人看出来效果，因此这里的入射波用的是雷电脉冲，采用典型正极性电压波形。然后通过一段c语言程序来进行仿真，得出的数据再通过仿真软件来进行绘制时域波形，再采用傅里叶变换对数值进行变换，然后在频域和时域上的比较用FDTD算法进行分析。在本论文中主要分析的是水泥墙对雷电脉冲的透射和反射波形。计算反射波形和透射波形与入射波形的比值，即反射系数和透射系数。通过求水泥墙对雷电脉冲的响应，计算出在一定频段范围内的水泥墙对雷电脉冲的透射和反射在时域和频域上的波形。研究的建筑墙体主要是不同厚度的水泥墙。通过改变水泥墙的厚度，来找出规律，得到结论。

二.电磁屏蔽、水泥墙与雷电的简介

2.1电磁屏蔽的概念及原理

电磁屏蔽是一种通过局部或完整的屏蔽包围体来实现电磁波的阻断或减弱的技术。它是一种通过导电的材料来进行降低交变电磁场对一定的区域范围内进行穿透的屏蔽。

电磁屏蔽的主要原理是当一些能够屏蔽电磁能量的屏蔽体在进行屏蔽时，常常会发生吸收、反射和透射，利用这三种作用，实现对电磁能量的减少，也就是所谓的屏蔽。而其影响因素有屏蔽体结构的表面和内部对这种能量所产生的感生电荷、感生电荷所产生的电流以及内部发生的一些极化现象等。雷电所产生的雷电脉冲以产生的雷击的位置为源，向着四周进行传导，传导的距离可以达到2000米，甚至更远的地方，不只是存在于被雷击的位置的一些墙体之类的物体以及建筑物里面的一些电子仪器。而这项技术包括了两个部分，一个是对空点的电磁屏蔽，另一个就是在线路上的电磁屏蔽。

2.2电磁屏蔽的目的及屏蔽效能

电磁屏蔽的目的有两点：

（1）避免其他外在的辐射到达某一个指定的区域；

（2）控制内在的辐射区里面的电磁场，让这些电磁场不会辐射到它自身所指定的区域范围外。

屏蔽体的效果示意如图2-1所示。

屏蔽前电磁场E₁ H₁

屏 蔽 体

屏弊后电磁场E₂ H₂

图2-1 屏蔽前与屏蔽后的电场和磁场

屏蔽效能意思是在没有加屏蔽的情况下某一个点的场强与在加了屏蔽之后的同一个点场强的比值，并用分贝来进行表示

（2.2.1）

剩余内容已隐藏，请支付后下载全文，论文总字数：19710字

相关图片展示：