CC BY
30
УДК 621.371:53.082.74
ОЦЕНКА ПОТЕНЦИАЛЬНОЙ ОПАСНОСТИ ИСТОЧНИКОВ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ С РАЗНЫМИ НЕСУЩИМИ ЧАСТОТАМИ
НЕФЕДОВ Л.И., САХАЦКИЙ В.Д., АЛЬ-ТАХХАНБИЛЯЛЬ, НЕФЕДОВА А.Л.
Рассматривается потенциальная опасность источников ЭМП, расположенных в производственных помещениях и работающих на разных частотах, при разных мощностях и разных режимах (режимы непрерывной, амп-литудно-модулированной, частотно-модулированной генерации и т.д.).
При облучении персонала ЭМП от нескольких источников, работающих в частотных диапазонах с едиными предельно допустимыми уровнями (ПДУ), измерение напряженности поля или плотности потока энергии (ППЭ) следует проводить от каждого источника раздельно и определять суммарную энергетическую нагрузку, которая не должна превышать предельно допустимых значений. В диапазоне частот 300 МГц...300 ГГц в случае одновременно работающих источников оценку воздействия допускается проводить путем суммирования значений ППЭ от каждого источника [ 1]. При воздействии на персонал ЭМП с различными нормируемыми параметрами по частоте допустимый уровень облучения определяется условиями [1]:
ЭН ЭНЕ
----+----—
ЭНд ЭНЕд
ЭН ЭНН ЭНд + ЭННд
< 1 < 1
(1)
где ЭН, ЭНд — энергетическая нагрузка и ее ПДУ
для диапазона сверхвысоких частот (СВЧ);
ЭНе ЭНЕд, ЭНн , ЭННд — энергетическая нагрузка и ее ПДУ соответственно для электрического и магнитного полей в более низких диапазонах частот.
При облучении человека электромагнитными импульсами с различными несущими частотами на его внутренних участках тела возможна локаль -ная концентрация энергии падающих ЭМП, чего не наблюдается при непрерывных излучениях. Если же в теле человека увеличивается уровень ЭМП, то это эквивалентно |\ Д~Д7 возрастанию уровня падающего на него излу- iVALVi чения. Рассмотрим условия возникновения локальных концентраций энергии ЭМП в теле человека [2,3]. Тело человека представляют собой среду со значительными потерями. Как известно, такие среды обладают аномальной дисперсией, при которой фазо-
вая и групповая скорости распространения сигнала растут с увеличением частоты. Если тело человека облучать радиоимпульсами с различными несущими частотами и с определенной относительно друг друга задержкой во времени, то, благодаря дисперсии и, следовательно, разной скорости распространения радиоимпульса в теле человека, вторичный импульс, имея более высокую несущую частоту, может “догнать” первичный. В месте их “встречи” образуется локальный нагрев за счет их суммарной энергии. Теоретическое обоснование такой предпосылки наиболее просто можно продемонстрировать на упрощенной модели тела человека, представляющей собой полубесконечный слой [4].
При распространении радиоимпульса в такой среде его групповая скорость определяется выражением [5]
Vg = 1/ReЙ'К), (2)
здесь ю0 — круговая частота несущей; h — комплексная постоянная распространения (штрих означает ее производную); Re — ее реальная часть.
Согласно [4], для низких частот, когда выполняется условие
а/Шоsоsr > 25,
где ст — удельная проводимость; є0 — абсолютная диэлектрическая проницаемость вакуума; єг — относительная диэлектрическая проницаемость; реальная часть постоянной распространения имеет вид
Р = yl&Q^QoT2 , где цо — магнитная проницаемость вакуума. Отсюда, согласно (2), групповая скорость радиоимпульсов для низких частот равна
VgB =1/ ■y/s о s r д о . В области высоких частот, когда выполняется условие
Шо >5о/8оSr ,
реальная часть постоянной распространения имеет вид Р = Ю0л/8 о s r Д о-
Следовательно, групповая скорость распространения радиоимпульса в области высоких частот равна
VgB = 1/-yj S о s r Д о - Так как
VgB /VgH =д/а/8юо8оsr > 1
да—шш
а с
Рис.1. Модель тела человека при падении на него серии радиоимпульсов
126
РИ, 1999, № 4
то через определенное время вторичный радиоимпульс “догонит” первичный, накладываясь на него.
Покажем это на примере падения на выбранную модель периодической серии радиоимпульсов, огибающая которых имеет прямоугольную форму (рис. 1).
Напряженность электрического поля падающих на тело человека радиоимпульсов единичной амплитуды длительностью t и периодом следования Т на расстоянии z от поверхности тела может быть представлена в виде [6]:
+N
E = ReXIn\Ate<to"'^ , n-*», (3)
k=-N
гдеAk =-1sin| — Ы 1,k*0;A0 =t/T; шИ = 2к/Т m / T )
— круговая частота следования импульсов; |П| иj— соответственно модуль и фаза коэффициента передачи гармонического излучения частотой ю=ю0 +ка на расстоянии z .
Для рассматриваемой структуры коэффициент передачи определяется по формуле [4]
результатов счета. Картину наложения высокочастотного импульса на низкочастотный можно проследить на примере двух следующих друг за другом радиоимпульсов, что можно реализовать выбором соответствующего начала отсчета времени.
Приведенные ниже результаты расчета соответствуют времени задержки между первичным и вторичным радиоимпульсами, равным нулю.
Электрофизические характеристики полубесконечного слоя соответствовали параметрам мышечной ткани человека [4]. В частности, для радиоимпульса с несущей частотой f0=100 МГц er = 73, ст = 0,87 См/ м, а для радиоимпульса с несущей частотой f = 3000 МГц — єг= 47, ст = 2,22 См/м.
Пространственное положение заднего и переднего фронтов первичного и вторичного радиоимпульсов в различные моменты времени t / Т0 показаны соответственно на рис. 2 и 3. При этом время отсчитывалось в единицах периода несущих колебаний первичного радиоимпульса Т0. Счет показал, что при вычислении амплитуды радиоимпульса с точно -стью до двух десятичных знаков бесконечный в строгом смысле ряд (3) может быть ограничен числом членов N = 500.
П = 2р q/(P о + Кг),
в которой р 0=2п/Х (X — длина волны в свободном пространстве, соответствующая частоте ю); К1 — волновое число в поглощающей среде.
Последнее определяется следующим образом [4]:
К1 =Р0V8м/1 + J°/ ює0sr .
Анализ полученных уравнений проведен численным методом на примере периодической серии радиоимпульсов с длительностью импульса t=5T0 и периодом следования Т=40Т0; период несущих колебаний Т0 определялся несущей частотойf0: T0=1/f0. Несущие частоты первичного и вторичного радиоимпульсов соответственно были равны f0 = 100 и f0= 3000 МГц.
Постоянство относительных параметров периодической серии низкочастотных и высокочастотных радиоимпульсов обеспечивало одинаковую точность
6 8 10 12 14 Z,cm
Рис. 2. Амплитуда и положение заднего фронта первичного радиоимпульса в мышечной ткани человека в разные моменты времени
На рис. 2, 3 кривые 1 соответствуют положению фронтов импульсов в момент времени t/T0 =2,7, кривые 2—t/T0=2,15 и кривые 3—t/T0 =2,81.
Как видно из рисунков, действительно происходит наложение вторичного импульса на первичный и размер перекрытия импульсов растет по мере их распространения вглубь поглощающей среды.
Рассмотренный пример соответствует случаю, когда амплитуды первичного и вторичного импульсов равны между собой. Поэтому, как и следовало ожидать, на одной и той же глубине амплитуда высокочастотного импульса, вследствие более сильного затухания волны, имеет меньшее значение по сравнению с низкочастотным импульсом. Следовательно, чтобы получить заметный эффект от суммарной энергии радиоимпульсов, амплитуда вторичного импульса должна быть выше амплитуды первичного импульса.
Более строгая модель тела человека обычно представляется в виде плоской многослойной структуры [4].
Пр и этом электрофизические
12 14 Z.CM
Рис.Э.Амплитуда и положение переднего фронта вторичного радиоимпульса в мышечной ткани человека в разные моменты времени
РИ, 1999, № 4
127
параметры первого слоя (er и ст) соответствуют параметрам кожи, второго слоя — электрофизическим параметрам жирового слоя и третьего полубесконечного слоя - электрофизическим параметрам мышечной ткани.
Для данной модели тела человека (рис. 1) коэффициент передачи определяется по формуле [4]:
П = С}е JKlZ + C\le~JKlZ, 0 < z < а,
П = С2eKz + C121e~jK2z, а < z < a+b=c, (4) П = C3ejKi(z~c), c < z <»,
где К, =P 0л/ s ri + j 60 а і X, i=1, 2, 3,
Cl = D-'fi, (1 + f2r/3rej2 K2b),
Cl1 = D-f(f2r + hreilK2b)eJ2K'a,
суммарного значения напряженности поля радиоимпульсов (относительно амплитуды первичного импульса) в разные моменты времени представлены на рис.4. Приведенная на рисунке кривая 1 соответствует моменту времени t/T0 = 2,7, кривая 2 — t/T0 = 2,75, кривая 3 — t/To= 2,81. Здесь же для сравнения кривыми 4 и 5 показаны изменения амплитуды гармонических излучений соответственно для частот / = 100 МГц и / = 3000 МГц.
Как видно из рис.4, на определенной глубине вторичный импульс, имея более высокую скорость распространения, накладывается на первичный. В результате в пространстве наложения импульсовсуммарная амплитуда поля максимальна и всегда выше той, что имеет место при отдельном распространении любого из имеющихся импульсов. При этом наибольшая концентрация энергии наблюдается в области пересечения кривых 4 и 5, характеризующих затухание гармонического излучения несущих частот, что собственно и определяет глубину концентрации энергии.
C 2 = D-1fi/f2,ej(K'1“K2)‘’),
C 21 = D-'fuf/e* Kl+ K2)aei 2 K 2b,
C = D-'fuffeJ(K'a+K2by),
D = 1 +f2rArei2K2b + fir fr + hrejlK2b )ej2Kia.
fir = (p0 - K')/(P0 + K'), fi, = 1 + fir ,
f 2r = (K1 - K 1)/(K1 + K2), h, = 1 + f2r,
fir = (K2 - K3 ) /(K2 + K 3 ), /з, = 1 + f3r,
а и b — соответственно толщина кожи и жирового слоя.
При расчете использовались известные электрофизические параметры тела человека [4]. Для импульса с несущей частотой /0 = 100 МГц: ег1 = 75, сті = 0,75 См/м, ег2 = 7,5, ст2= 0,033 См/м, ег3 = 73, ст3 = 0,87См/м.
Для импульса с несущей частотой /0 = 3000 МГц:
£ri = 42, а1 = 2,4 См/м,
Zr2 = 6, 02=0,167 См/м, £r3 = 47, ст3=2,22См/м.
Расчет проведен по формуле (3) для случая, когда амплитуда вторичного импульса превы-шалаамплиту-ду первичного в 14 раз. Результаты расчета пространственного распределения
суммарного поля в теле человека в различные моменты времени
Поскольку установлено, что локальная концентрация ЭМП на внутренних органах тела человека вызывает определенные биологические эффекты [7, 8], то это явление необходимо учитывать при определении предельно-допустимых уровней облучения, либо, сохраняя действующие нормативы допустимого уровня обучения (ГОСТ 12.1.006-84 ССБТ), нужно принять меры, исключающие возможность образования в теле человека локальных концентраций ЭМП.
Литература: 1. ГОСТ 12.1.006-84 ССБТ. Электромагнитные поля радиочастот. Допустимые уровни на рабочих местах и требование к проведению контроля. 2. Сахацкий В.Д., Павлов В. Ф. О возможности локального нагрева внутренних участков тела человека серией радиоимпульсов // Радиофизика. 1989. Т.32, N 6. С. 701-705. 3. Сахацкий В.Д. Новые возможности осуществления СВЧ-гипертермии / / Вестник науки и техники. 1997. Вып. 1. С. 53-55. 4. Кинг P., Смит Г. Антенны в материальных средах: В 2-х книгах. Кн. 1: Пер. с англ. М.: Мир, 1984. 824 с. 5. Биргер Е.С., Вайнштейн Л.А. О распространении импульсов с отрицательной групповой скоростью // ЖТФ. 1976. Т.46, N 1. С. 212-214. 6. Шулманис А. А Отражение радиоимпульсов от случайного неоднородного плазменного слоя // Тр. Рижск. политехи. ин-та. Радиоэлектроника и связь. Исследование устройств, преобразующих электрические сигналы. 1983. С.82-84. 7. Электромагнитные поля в биосфере (в двух томах). Т. 2. Биологическое действие электромагнитных полей. М.: Наука, 1984. 327 с. 8. Гайдхи О.П. Современные представления о поглощаемых человеком и животным дозах ЭМИ// ТИИЭР. 1980. Т.68, N 1. С.31-39.
Поступила в редколлегию 07.12.99
Рецензент: д-р техн. наук Алипов Н.В.
Нефедов Леонид Иванович, д-р техн. наук, профессор кафедры информатики ХГТуСА. Научные интересы: эргономика, информатика. Адрес: Украина, 61002, Харьков, ул. Сумская, 40, тел. 40-93-54.
Сахацкий Виталий Дмитриевич, канд. техн. наук, доцент кафедры радиоэлектроники УИПА. Научные интересы: радиоэлектроника. Адрес: Украина, 61003, Харьков, ул. Университетская, 18, тел. 20-63-89.
Аль-Таххан Биляль, аспирант кафедры информатики ХГТУСА. Научные интересы: охрана труда. Адрес: Украина, 61002, Харьков, ул. Сумская, 40.
Нефедова Анжелика Леонидовна, аспирант кафедры БЖД ХГАГХ. Научные интересы: эргономика. Адрес: Украина, 61002, Харьков, ул. Революции, 12, тел. 45-90-28.
128
РИ, 1999, № 4
