Экспериментальное исследование электромагнитной обстановки с учетом наложения электромагнитных волн

В связи с тем, что непрерывно развиваются методы выращивания сельскохозяйственных культур, особенно в холодном климате, с применением современных теплиц, оснащенных высокотехнологичными установками для создания микроклимата, правильного питания и орошения растений, необходимо учитывать электромагнитные излучения (ЭМИ), возникающие в процессе эксплуатации всего комплекса оборудования, находящегося в производственном помещении [1, 2]. При этом диапазон генерируемого спектра электромагнитных излучений изменяется от единиц Герц до ГГц. Поэтому возникает необходимость оценки плотности потока энергии в зонах длительного пребывания персонала [3, 4].

Материалы и методы

В Алтайском государственном техническом университете им. И. И. Ползунова разработана технология определения результирующей частоты и амплитуды [5], основанная на особенностях наложения когерентных и некогерентных волн. Методика наложения когерентных волн в рас-– 659 – ширенном до 3 ТГц диапазоне включает выбор несущей частоты и определение результирующей амплитуды по формуле (1) [3, 6].

,                                                          (1)

где A₁ – амплитудное значение первой частотной составляющей электромагнитного поля; A 2 – амплитудное значение второй частотной составляющей электромагнитного поля; Δ ω – разность между циклическими частотами первого и второго накладываемых электромагнитных колебаний, рад/с; t – время колебания, с.

Определение результирующей частоты при наложении некогерентных волн проводится с учетом отношений их значений с помощью выражения (2) [7].

,

где – среднее арифметическое значение частоты накладываемых электромагнитных колебаний, Гц; A 1 – амплитудное значение первой частотной составляющей электромагнитного поля; A₂ – амплитудное значение второй частотной составляющей электромагнитного поля; Δf – разность между частотами первого и второго накладываемых электромагнитных колебаний, Гц.

Плотность потока энергии (ППЭ) на фиксированном расстоянии от источника излучения для когерентных и некогерентных волн предлагается рассчитать через интенсивность электромагнитного поля, используя известные выражения вектора Умова-Пойнтинга, с помощью формулы (3):

где

– волновое сопротивление вакуума, Ом; n

= ^/ i" - коэффициент прелом-

ления среды; I m – амплитудное значение интенсивности электромагнитного поля, Вт/м²; f – частота распространения поля, Гц; t – время, с; l – расстояние между источником поля и точкой измерения поля, м; v – скорость распространения волны, м/c.

При завершении формирования наложенных колебаний по каждой частотной составляющей вычисляются максимальные значения параметров электромагнитного поля.

Практическая реализация предлагаемой методики рассмотрена для производственного помещения тепличного предприятия Сибири с установкой для орошения сельскохозяйственных культур, размеры которой составляют 1×2×2 м (рис. 1) [5].

Для проведения измерений и оценки электромагнитной обстановки использовалась следующая структура оснащения: ноутбук HP EliteBook 8440p и подключенные к нему анализатор спектра АКС-1201, устройство контроля радиочастотных ЭМП (30 МГц – 30 ГГц) и приборы ВЕ-метр-АТ-004, П3–41 и Testo 435–4 [8]. Измерения проводились на требуемом расстоянии 10 см [9] от каждой стенки установки. Термографирование не проводилось, поскольку корпус установки выполнен из металла [8].

Рис. 1. Внешний вид установки для орошения сельскохозяйственных культур

Fig. 1. Appearance of the plant for irrigation of agricultural crops

Результаты

Результаты контрольных измерений ППЭ вблизи исследуемой установки на соответствующих частотах с учетом требований к оценке электромагнитной обстановки [9] сведены в табл. 1.

Таблица 1. Результаты контроля плотности потока энергии

Table 1. Results of energy flow density control

Частота	Плотность потока энергии ППЭ, мкВт/см2
	Боковые стенки	Передняя и задняя стенки
400 МГц	57,774	97,471
410 МГц	113,569	171,992
450 МГц	50,008	124,812
490 МГц	16,464	39,730
520 МГц	20,888	55,313
550 МГц	20,189	50,224
570 МГц	75,419	125,011
590 МГц	22,817	49,792
720 МГц	25,156	55,549
740 МГц	62,264	107,837
760 МГц	73,235	133,732
800 МГц	47,276	100,721
28,09 ГГц	17,832	48,487
28,37 ГГц	35,266	69,719

Примечания:

– предельно допустимый уровень (25 мкВт/см2) приведен для 8-ч рабочего дня;

– красным цветом выделены значения, превышающие ПДУ

Обсуждение результатов

Оценка интенсивности ЭМП выполнена с использованием предложенной методики. Величина наложенных электромагнитных волн рассчитана с учетом близлежащих частот, характеристики которых получены на предыдущем этапе вычисления. Промежуточные и конечные результаты определения характеристик результирующей волны для каждой составляющей ЭМП сведены в табл. 2 и 3. Учитывая, что имеется один малогабаритный источник излучения, фазовый сдвиг считается одинаковым.

Таблица 2. Получение результирующей волны для передней и задней стенок установки для орошения

Table 2. Obtaining the resulting wave for the front and back walls of the irrigation system

Исходные данные		Результаты наложения частотных составляющих ППЭ
		1 этап		2 этап		3 этап		4 этап
Частота	ППЭ, мкВт/ см2	Частота	ППЭ, мкВт/ см2	Частота	ППЭ, мкВт/ см2	Частота	ППЭ, мкВт/ см2	Частота	ППЭ, мкВт/ см2
400 МГц	97,471	406 МГц	269,463	427 МГц	434,005	480 МГц	714,345	10,7 ГГц	1230,390
410 МГц	171,992
450 МГц	124,812	460 МГц	164,542
490 МГц	39,730
520 МГц	55,313	534 МГц	105,537	560 МГц	280,340
550 МГц	50,224
570 МГц	125,011	576 МГц	174,803
590 МГц	49,792
720 МГц	55,549	733 МГц	163,386	759 МГц	397,839	15,3 ГГц	516,045
740 МГц	107,837
760 МГц	133,732	777 МГц	234,453
800 МГц	100,721
28,09 ГГц	48,487	28,26 ГГц	118,206	28,26 ГГц	118,206
28,37 ГГц	69,719
28,37 ГГц	69,719

Рис. 2. Результат наложения частотных составляющих: а) 400 и 410 МГц; б) 450 и 490 МГц

Fig. 2. The result of the overlay of frequency components: a) 400 and 410 MHz; b) 450 and 490 MHz

Как видно из табл. 2, результирующая волна вблизи передней и задней стенок установки характеризуется мощностью сигнала 1230,390 мкВт/см2 и частотой 10,7 ГГц. На рис. 2–8 приведены результаты наложения рассмотренных частотных составляющих ЭМП.

Аналогично получены параметры результирующей электромагнитной волны для боковых стенок установки. Результаты сведены в табл. 3.

Рис. 3. Результат наложения частотных составляющих: а) 520 и 550 МГц; б) 570 и 590 МГц

Fig. 3. The result of the overlay of frequency components: a) 520 and 550 MHz; b) 570 and 590 MHz

Рис. 4. Результат наложения частотных составляющих: а) 720 и 740 МГц; б) 760 и 800 МГц

Fig. 4. The result of the overlay of frequency components: a) 720 and 740 MHz; b) 760 and 800 MHz

Рис. 5. Результат наложения частотных составляющих: а) 28,09 и 28,37 ГГц; б) 406 и 460 МГц

Fig. 5. The result of the overlay of frequency components: a) 28,09 and 28,37 GHz; b) 406 and 460 MHz

С учетом исследованных частотных составляющих ЭМП электромагнитная обстановка вблизи установки для орошения сельскохозяйственных культур характеризуется интенсивностью сигнала вблизи передней и задней стенки 1230,390 мкВт/см2 и частотой 10,7 ГГц, а вблизи боковых стенок – 638,157 мкВт/см2 и 14,2 ГГц соответственно.

Рис. 6. Результат наложения частотных составляющих: а) 534 и 576 МГц; б) 733 и 777 МГц

Fig. 6. The result of the overlay of frequency components: a) 534 and 576 MHz; b) 733 and 777 MHz

Рис. 7. Результат наложения частотных составляющих: а) 427 и 560 МГц; б) 759 МГц и 28,26 ГГц

Fig. 7. The result of the overlay of frequency components: a) 427 and 560 MHz; b) 759 and 28,26 GHz

Рис. 8. Результат наложения частотных составляющих 480 МГц и 15,3 ГГц

Fig. 8. The result of the overlay of frequency components 480 MHz and 15,3 GHz

Таблица 3. Получение результирующей волны для боковых стенок установки

Table 3. Obtaining the resulting wave for the side walls of the installation

Исходные данные		Результаты наложения частотных составляющих ППЭ
		1 этап		2 этап		3 этап		4 этап
Частота	ППЭ, мкВт/ см2	Частота	ППЭ, мкВт/ см2	Частота	ППЭ, мкВт/ см2	Частота	ППЭ, мкВт/ см2	Частота	ППЭ, мкВт/ см2
400 МГц	57,774	406 МГц	171,343	421 МГц	237,815	473 МГц	377,128	14,2 ГГц	638,157
410 МГц	113,569
450 МГц	50,008	460 МГц	66,472
490 МГц	16,464
520 МГц	20,888	535 МГц	41,077	563 МГц	139,313
550 МГц	20,189
570 МГц	75,419	575 МГц	98,236
590 МГц	22,817
720 МГц	25,156	734 МГц	87,420	758 МГц	207,931	11,6 ГГц	261,029
740 МГц	62,264
760 МГц	73,235	776 МГц	120,511
800 МГц	47,276
28,09 ГГц	17,832	28,28 ГГц	53,098	28,28 ГГц	53,098
28,37 ГГц	35,266

Заключение

Таким образом, использование инструментальных средств измерений и разработанного программного обеспечения позволяет получать характеристики результирующих электромагнитных колебаний и визуально представлять процесс наложения составляющих электромагнитного поля на каждом этапе расчета, что является затруднительным при проведении точечных измерений. Полученные результаты можно использовать в дальнейшем при оценке электромагнитной обстановки в производственных и коммунально-бытовых помещениях с размещенным в них ЭМП-излучающим оборудованием.