Лабораторная работа № 7Э

“Исследование электромагнитных полей радиодиапазона в условиях мегаполиса”.

Цель работы.

Изучить методику измерения интенсивности излучения электромагнитной энергии в диапазоне СВЧ и исследовать эффективность защиты экранированием и расстоянием.

1.Теоретическая часть

1.1Электромагнитное поле, его виды и классификация

На практике при характеристике электромагнитной обстановки используют термины «электрическое поле», «магнитное поле», «электромагнитное поле». Коротко поясним, что это означает и какая связь существует между ними.

Электрическое поле. Электрическое поле создается зарядами. Например, во всем известных школьных опытах по электризации эбонита, присутствует как раз электрическое поле. Магнитное поле создается при движении электрических зарядов по проводнику.

Электромагнитное поле. По определению, электромагнитное поле - это особая форма материи, посредством которой осуществляется воздействие между электрическими заряженными частицами. Физические причины существования электромагнитного поля связаны с тем, что изменяющееся во времени электрическое поле Е порождает магнитное поле Н, а изменяющееся Н - вихревое электрическое поле: обе компоненты Е и Н, непрерывно изменяясь, возбуждают друг друга. ЭМП неподвижных или равномерно движущихся заряженных частиц неразрывно связано с этими частицами. При ускоренном движении заряженных частиц, ЭМП "отрывается" от них и существует независимо в форме электромагнитных волн, не исчезая с устранением источника (например, радиоволны не исчезают и при отсутствии тока в излучившей их антенне).

1.2 Характеристики электромагнитных полей

Для характеристики величины электрического поля используется понятие напряженность электрического поля, обозначение Е, единица измерения В/м

(Вольт-на-метр). Величина магнитного поля характеризуется напряженностью магнитного поля Н, единица А/м (Ампер-на-метр). При измерении сверхнизких и крайне низких частот часто также используется понятие магнитная индукция В, единица Тл(Тесла), одна миллионная часть Тл соответствует 1,25 А/м.

Электромагнитные волны характеризуются длиной волны, обозначение - (лямбда). Источник, генерирующий излучение, а по сути создающий электромагнитные колебания, характеризуются частотой, обозначение - f. «Ближняя» и «дальняя» зоны. Важная особенность ЭМП - это деление его на так называемую "ближнюю" и "дальнюю" зоны.

В "ближней" зоне, или зоне индукции, на расстоянии от источника r < ЭМП можно считать квазистатическим. Здесь оно быстро убывает с расстоянием, обратно пропорционально квадрату r -2 или кубу r -3 расстояния. В "ближней" зоне излучения электромагнитная волне еще не сформирована. Для характеристики ЭМП измерения переменного электрического поля Е и переменного магнитного поля Н производятся раздельно. Поле в зоне индукции служит для формирования бегущих составляющей полей (электромагнитной волны), ответственных за излучение.

1

"Дальняя" зона - это зона сформировавшейся электромагнитной волны, начинается с расстояния r > 3 . В "дальней" зоне интенсивность поля убывает обратно пропорционально расстоянию до источника r -1.

В "дальней" зоне излучения есть связь между Е и Н: Е = 377Н, где 377 - волновое сопротивление вакуума, Ом.

Поэтому измеряется, как правило, только Е. В России на частотах выше 300 МГц обычно измеряется плотность потока электромагнитной энергии (ППЭ), или вектор Пойтинга. Обозначается как S, единица измерения Вт/м2. ППЭ характеризует количество энергии, переносимой электромагнитной волной в единицу времени через единицу поверхности, перпендикулярной направлению распространения волны.

Понятие «доза»

Для электромагнитных полей понятие доза сводится к энергетической нагрузке:

где P [Вт] – мощность излучения

S [ м2 ] – площадь, через которую проходит поток мощности t [ч] – время воздействия

1.3Международная классификация электромагнитных волн по частотам

Втаблице 1.1 приведена Международная классификация электромагнитных волн по частотам.

Таблица 1.1 «Международная классификация электромагнитных волн по частотам»

1.4. Особенности воздействия электромагнитных полей на человека.

За последнее десятилетие в несколько раз возросло число радиовещательных и телевизионных станций, радиопередатчиков сетей синхронного радиовещания, радиопередатчиков сетей сотовой связи, расположенных на центральных станциях этих сетей, служебных радиопередатчиков государственных учреждений и различных фирм. Радиопередатчики стали располагать в верхних этажах административных и жилых зданий, а опоры антенн - на крышах домов. Жилые районы приблизились в связи с массовой застройкой к территориям радиовещательных станций.

2

Воздействие ЭМП на человека может иметь различный характер: непрерывное облучение и прерывистое, общее и местное,комбинированное от множества источников излучения и комбинированное с другими загрязняющими факторами (шум,радиация,химические загрязнения). На тело человека влияют следующие параметры ЭМП: интенсивность поля, продолжительность облучения, частота сигнала, модуляция сигнала, сочетание частот ЭМП, периодичность воздействия В последнее время многими учеными обращается внимание не только на энергетическую,но и информационную сторону воздействия ЭМП,при котором определяющим параметром ЭМП является модуляция. При таком воздействии ЭМП на организм могут развиваться различные неспецифические реакции: стресс,активации. Обнаружено,что уровень самоорганизации различных сервисных подсистем мозга резко падает . Это сопровождается увеличением информационной энтропии,как функции выравнивания вероятностей системы.

Особенно сильное влияние на клетки организма оказывают ЭМП ММдиапазона,которые активно внедряются в жизненное пространство через новые, интенсивно развивающиеся открытые коммуникационные и информационные системы типа сотовой и спутниковой связи, вещания и телевидения. Необходимо отметить, что ММ-волны могут создаваться и гармониками более длинноволновых диапазонов, которые возникают на нелинейных структурах ДНК. Кроме того ЭМП вызывают у человека раковые заболеквания, потерю зрения,ыпадание волос.

1.5. Техническое нормирование ЭМП

Для осуществления эффективных мер защиты населения и обслуживающего персонала радиопередающих средств от негативного воздействия ЭМП прежде всего требуется контроль за этим видом загрязнения. Контроль электромагнитных загрязнений среды в России осуществляют по следующим параметрам:

-интенсивности ЭМП;

-напряженности электрического и магнитного поля (в диапазоне частот 30 кГц - 300 МГц);

-плотности потока энергии (в диапазоне частот 300 МГц - 300 ГГц).

-энергетической экспозиции, которая в диапазоне частот 30 кГц

-300 МГц, определяется, как произведение квадрата напряженности электрического или магнитного поля на время воздействия на человека.

Вслучае импульсно-модулированных излучений их оценка проводится по средней за период следования импульса мощности передатчика и средней интенсивности ЭМП.

Для контроля уровня электромагнитного излучения необходимо использовать соответствующие измерительные приборы. При этом на открытых территориях измерения необходимо начать проводить на высоте 2 м от поверхности земли,а затем на высотах 3,6,9 метров и т.д. В помещениях измерения проводятся на высоте 0,5, 1,0, и 1,7 м от пола. При одновременном облучении от источников ЭМП,работающих в диапазонах частот с разными гигиеническими нормативами, измерения проводятся раздельно в каждом диапазоне частот.

При одновременном воздействии на население от нескольких источников ЭМП, для которых установлены разные предельно допустимые уровни, должны соблюдаться следующие условия:

3

где ЭЭi - энергетическая экспозиция i-того нормируемого диапазона;

ЭЭПДУi - предельно допустимое значение энергетической экспозиции i-того нормируемого диапазона;

EПДУi - предельно допустимое значение напряженности электрического поля i-того нормируемого диапазона:

HПДУi - предельно допустимое значение напряженности магнитного поля i- того нормируемого диапазона:

ППЭПДУi - предельно допустимое значение плотности потока энергии i-того нормируемого диапазона;

n - количество нормируемых диапазонов.

Характер воздействия электромагнитных полей на человека в основном зависит: от величины напряженности ЭМП; плотности потока; мощности источника; частоты колебания; времени действия ЭМП.

Переменное электрическое поле вызывает переменную поляризацию диэлектриков и появление токов проводимости, что вызывает перегрев тела человека. Кроме того, ЭМП могут вызвать рак крови, помутнение хрусталика, нервные расстройства и др.

Биологическая активность волн возрастает с уменьшением их длины. Поэтому при малых длинах волн или большой частоте предусматривается снижение допустимой напряженности ЭМП. РЧ).

В таблицах 1.2 -1.6 приведены нормы электромагнитных излучения радиочастотного диапазона (ЭМИ РЧ). В настоящих Санитарных нормах и правилах во всех случаях при указании диапазона частот каждый диапазон исключает нижний и включает верхний предел частоты.

Таблица 1.2. Предельно допустимые значения энергетической экспозиции

Таблица1.3. Предельно допустимые уровни напряженности электрической и магнитной составляющих в диапазоне частот 30 кГц-300 МГц в зависимости от продолжительности воздействия.

4

Примечание: при продолжительности воздействия менее 0,08 часа дальнейшее повышение интенсивности воздействия не допускается

Таблица 1.4. Предельно допустимые уровни плотности потока энергии в диапазоне частот 300 МГц-300 ГГц в зависимости от продолжительности воздействия

5

Примечание: при продолжительности воздействия менее 0,2 часа дальнейшее повышение интенсивности воздействия не допускается

Таблица 1.5. Предельно - допустимые уровни ЭМИ РЧ для населения, лиц, не достигших 18 лет, и женщин в состоянии беременности.

Таблица 1.6. Предельно допустимые уровни ЭМИ РЧ, создаваемых

телевизионными станциями

1.6. Нормативные методы ограничения электромагнитных загрязнений.

Измерения показывают, что в жилых районах, прилегающих к территории радиовещательных станций, в зависимости от мощности радиопередатчиков и расстояния от антенн до жилых зданий наблюдаются напряженности ЭМП до 4...50 В/м в диапазонах КМВ, ГМВ и ДКМВ и до 1...6 В/м в диапазоне МВ .

6

Население же находится под воздействием ЭМП постоянно, поэтому подход к выработке рекомендаций и норм должен быть несколько иным.

По предельно допустимым уровням (ПДУ) разных лет издания эти нормы округленно составляют: для диапазонов КМВ и ГМВ 10 В/м, ДКМВ - 2 В/м, МВ - 1В/м. По нашему мнению, главным фактором для нормирования

ПДУ для жилых районов должны стать не столько патологические, сколько функциональные изменения, которые возникают под воздействием данного вредного фактора.

Поэтому нормы должны быть дифференцированы:

1)для открытых территорий, где воздействие ЭМП максимальное,

2)для жилых зданий,

3)для детских учреждений - ясель, детских садов, школ,

4)для больниц и санаторно-курортных учреждений.

Обобщение данных измерений показало, что на расстоянии от передающих антенн 100...150 м напряженность поля составляет в среднем 2,3...2,7 В/м, на расстоянии 200...400 м - примерно 1 В/м, на расстоянии 2,6...2,8 км до 0,1 В/м.

В качестве самой приближенно рекомендации предлагаются следующие ПДУ для населения]: 2В/м для диапазонов КМВ и ГМВ, 0,5 В/м для диапазона ДКМВ, 0,2 В/м для диапазона МВ. Для уточнения этих рекомендаций потребуются совместные исследования с медицинскими учреждениями, в первую очередь, с институтами охраны труда и профзаболеваний.

1.7.Антропогенные источники ЭМП.

По происхождению источники ЭМП делятся на природные и антропогенные. Природные источники ЭМП делятся на 2 группы: 1) Поле Земли: постоянное электрическое и основное (или постоянное) магнитное поле, 2) Радиоволны, генерируемые космическими источниками (Солнце, галактики и пр.), при некоторых процессах, происходящих в атмосфере Земли (например, разряды молнии), при возбуждении колебаний в ионосфере Земли.

Естественное электрическое поле Земли создается избыточным отрицательным зарядом па поверхности, его напряженность на открытой местности обычно находится в диапазоне от 100 до 500 В/м. Грозовые облака могут увеличивать напряженность этого поля до десятков-сотен кВ/м.

Человеческое тело также излучает электромагнитные поля с частотой выше 300 ГГц с плотностью потока энергии порядка 0,003 Вт/м2 Если общая площадь поверхности среднего человеческого тела 1,8 м2, то общая излучаемая энергия приблизительно.

По данным Международного комитета по защите от нсионизирующих излучений, 1996 :

В соответствии с международной классификацией источники ЭМП делятся на 2 группы:

I-я группа - источники генерирующие т. н. крайне низкие и сверх низкие частоты от 0 Гц до 3 кГц;

II-я группа - источники генерирующие излучение в радиочастотном диапазоне от 3 кГц до 300 ГГц, включая микроволны (СВЧ-излучение) в диапазоне от 300 МГц До 300 ГГц.

К первой группе относятся в первую очередь все системы производства, передачи и распределения электроэнергии (линии электропередач трансформаторные подстанции, электростанции, системы электропроводк. различные кабельные системы); домашняя и офисная электро- и электронн; техника и т. д.; транспорт на электроприводе: ж/д транспорт и его инфраструктур городской - метро, троллейбусный, трамвайный.

7

Вторая группа источников отличается гораздо большим разнообразием как по назначению, так и по режимам излучения.

Основную массу составляют так называемые функциональные передатчики это источники ЭМП в целях передачи или получения информации, излучающие с контролируемым образом в окружающую среду. Кроме них во вторую группу входя различное технологическое оборудование, использующее СВЧ излучения

переменные (50 Гц-1 МГц) и импульсные магнитные поля; медицински терапевтические и диагностические установки (20 МГц-ЗГГц), бытовое оборудована (СВЧ-печи), средства визуального отображения информации на электронно-лучевые

трубках (мониторы ПК, телевизионных и т. п.)

Таблица 1.7. Максимальные значения напряженности поля базовых станций

Таблица 1.8. Максимальные уровни напряженности ЭМП мобильных средств связи автомобильной установки

1.8. Экономические методы ограничения электромагнитного загрязнения

Для реализации экономического механизма защиты среды от загрязнения ЭМП должны быть положены следующие условия:

-должна быть проведена оценка вклада каждого источника электромагнитного загрязнения, действующего на данной территории, в общий электромагнитный фон с учетом конкретной природной и градостроительной обстановки;

-экономические санкции должны соответствовать масштабу загрязнения и его влиянию на здоровье людей:

-размер платежа должен быть связан с действующими нормами на электромагнитное облучение в разных диапазонах частот;

8

-размер платежа должен быть пропорционален количеству населения, попадающего в зону риска;

-санкции должны стимулировать плательщика к проведению мероприятий по снижению уровня электромагнитного загрязнения.

1.9.Предложения по техническим методам борьбы с электромагнитным загрязнением

1)Использование закрытых сред для передачи сигналов телерадиовещания

2)Использование методов ограничения излучаемой мощности

3)Использование сотового принципа построения сети телерадиовещания.

4)Использование спутникового телерадиовещания.

5)Использование индуктивной связи.

6)Применение обработки телерадиовещательных сигналов, повышающей их относительную мощность.

- Использование однополосной модуляции.

- Использование динамического управления уровнем несущей.

-Использование компандирования звукового сигнала на основе гильбертовской огибающей.

-Использование метода исключения некоторых модулирующих частот.

1.10.Уменьшение напряженности поля в зоне жилой застройки градостроительными и планировочными приемами

Радиопередающие устройства размещают таким образом,чтобы предотвращать создание на территории и в жилых зданиях ЭМП , превышающих предельно допустимые значения. Для этого ,в частности,рекомендуется передающие радиотехнические объекты устанавливать на естественных возвышенностях, насыпях, эстакадах и т. п., ограничивая использование отрицательных углов максимального излучения антенн. При этом на территории, занимаемой передающими устройствами не допускается размещение жилых и общественных зданий, а на примыкающей к ней территории устанавливаются санитарно-защитные зоны и зоны ограничения застройки. Внешняя граница санитарно-защитной зоны определяется на высоте 2 м от поверхности земли по ПДУ ЭМП указанным в таблицах 1.2 -1.6. Внешняя граница зоны ограничения определяется также по максимальной высоте зданий перспективной застройки на высоте верхних этажей которых интенсивность ЭМП не превышает ПДУ. В санитарно-защитной зоне и зоне ограничений запрещается строительство жилых зданий всех видов, лечебных, курортных учреждений, а также детских и средних учебных заведений.

Для передающих средств, имеющих антенны ненаправленного действия, санитарно-защитные зоны и зоны ограничений устанавливаются по кругу, а, для передающих средств, имеющих направленные антенны, санитарно-защитные зоны и зоны ограничений устанавливаются в направлении излучения электромагнитной энергии с учетом ширины диаграммы направленности, а также боковых и задних лепестков.

В качестве защиты общественных и производственных зданий от ЭМП могут использоваться ограждающие конструкции и кровля из материалов с высокими экранирующими свойствами. Как показано в предыдущих материалах, опасность неблагоприятного воздействия ЭМП возрастает с увеличением частоты. Поэтому рассмотрим вопрос о планировочных приемах

9

на примере ЭМП диапазона метровых волн, т. е. частот порядка 100 МГц и более. Будем исходить из особенностей распространения волн этого диапазона в ближней зоне, в условиях городской застройки. Разделим рассматриваемую территорию на две зоны: зону строгого режима и зону ограничения застройки. На основе ранее рассмотренного примем, что на границе первой и второй зон напряженность поля не должна превышать 1 В/м, а на границе второй зоны и более удаленной зоны нерегулируемой застройки - 0,2 В/м.

Территория зоны строгого режима должна использоваться только под сооружения передающего комплекса (здание радиостанции, антенное поле). Территория зоны ограниченной застройки может использоваться под городскую застройку, но при выполнении некоторых условий. Территория зоны строгого режима и зоны ограничения застройки должна планироваться таким образом, чтобы исключить вероятность отражения волн и появления участков, где образуются стоячий волны, что увеличивает напряженность поля. Желательно обеспечить свободное прохождение волн. Площадь препятствий прохождению волн должно быть наименьшей. Это достигается малоэтажной застройкой и расположением длинной стороны зданий в направлении распространения радиоволн. Должны быть увеличены интервалы между зданиями. Они должны быть не менее трех высот зданий.

Те же рекомендации, может быть не в столь жесткой форме, должны применяться в более дальней зоне. Учитывая хорошие экранирующие и отражающие свойства зданий из сборного железобетона, можно рекомендовать их как основной вариант для жилых зданий. Стальная арматура железобетонных плит играет роль сетчатого электромагнитного экрана. Желательно ориентировать жилые здания в сторону опоры передающей антенны глухой стеной, торцом здания, или, в крайнем случае, стеной с наименьшей площадью остекления. Особое внимание следует обратить на окна,которые во многих случаях являются наиболее незащищенными от электромагнитных полей элементами зданий. Следует использовать стекла со специальными проводящими покрытиями,либо применять металлические сетки на окнах.

Административные и общественные здания следует размещать ближе к границе между зонами строгого режима и ограничения застройки. Они будут исполнять роль своеобразного барьера, "заслоняющего" жилые здания. Расчёт плотности застройки и заселения следует производить по нижнему пределу норм.

При проектировании жилого района вблизи места расположения передающей радиостанции у границы зоны строгого режима следует размещать общественный центр, коммунальные учреждения, гаражи, автопарки и общественные автостоянки далее - в центральной части - жилые здания, еще дальше, на дальней границе района - детские учреждения (ясли, детские сады, школы) и спортивные сооружения.

Открытые спортивные площадки, зоны отдыха должно располагать в области радиотени, образуемой самими зданиями, углублениями рельефа, озеленёнными участками.

При перепланировке района, сносе малоценных зданий и возведении новых следует учитывать ранее высказанные рекомендации. Их выполнение без всяких дополнительных, специальных затрат, позволит, по нашему мнению, уменьшить напряжённость электромагнитного поля в районе жилой застройки в несколько раз (по крайней мере, в 3- 4 раза).

Задача уменьшения напряженности поля в зоне жилой застройки может решаться и иначе: выбирать для строительства передающих радиостанций звукового и телевизионного вещания заведомо те участки территории, к которым

10