Механизм воздействия модулированного высокочастотного сигнала на неидеальный диэлектрик. Радиозвук

На сегодняшний день все еще нет однозначного физического обоснования микроволновому слуховому феномену. В 1956 г. было замечено, что люди, случайно оказавшиеся в зоне действия радиолокатора, ощущали звуковые галлюцинации, даже если уши были защищены подавляющими шум фильтрами [1]. Испытуемые поочерёдно находились за экраном с отверстием диаметром в четверть длины волны на расстоянии 1,5…2,0 м от рупора антенны. Передатчик мощностью 500 КВт работал на частоте 1,3 ГГц, длительность импульса 2 мкс и частота следования 600 Гц (мощность приводится для радиоимпульса). Опрос показал, что звуки ощущаются на гармониках, а основная частота отсутствует. Результаты систематических наблюдений и первых исследований были опубликованы в 1961 г. Аланом Фреем [2], и микроволновый слуховой феномен назвали радиозвуковым эффектом Фрея.

Исследования, проводимые на добровольцах, привели к естественным трудностям при определении количественных и объективных оценок. Оказалось, что при воздействии на человека сверхвысокочастотным радиоизлучением с амплитудно-импульсной манипуляцией относительно большой интенсивности (на 6 м от антенны радиолокаторов с частотами 1,31 и 2,982 ГГц) возникали воспринимаемые звуки непосредственно внутри черепа, которые ощущались как бы от источника звука, расположенного за тыльной частью головы. Был определён порог чувствительности: 80 мВт/см2, что соответствует (при геометрическом сечении головы около 250 см2) поглощаемой мощности до 20 Вт – это большая мощность поглощаемого излучения для головы даже за короткое время действия радиоимпульса.

Для сравнения можно оценить сверхвысокочастотное воздействие на голову прижатого к уху мобильного телефона МТ со сферической диаграммой направленности и с мощностью излучения 0,5 Вт (рис. 1). Итак, направление поглощения – полусфера, поглощаемая мощность до 50 % от мощности излучения, эффективное поглощение происходит внутри головы.

Следовательно, получаем оценочное значение плотности мощности: 0,5(0,5 Вт/ 250 см2) = 1 мВт/см2. Эффект радиозвука естественно здесь отсутствует, так как порог чувствительности (см. выше) – 80 мВт/см2. Это на порядки превышает санитарно-гигиенические нормы для начала гигогерцового диапазона, представленные в таблице [3]. В целом, биологическая система, выступающая в качестве акцептора, активнее откликается не на стационарные значения, а на их изменения и скорости изменения. Импульсная манипуляция действует эффективнее одночастотной амплитудной модуляции [4].

Рис. 1. Голова с геометрическим сечением 250 см2. МТ – излучающий мобильный телефон

Предельно-допустимые значения энергетической экспозиции за рабочий день (8-часовая смена)

Диапазон частот, ГГц	Уровень интенсивности и экспозиция ППЭ, мВт/см2	Примечание
0,3–300 ГГц	25 мкВт/ см2 х 8 ч	Интенсивность ЭМИ РЧ оценивается значениями плотности потока энергии – ППЭ: Вт/м2, мкВт/см2

Аланом Фреем была предложена гипотеза, что на участках внутреннего уха происходит взаимодействие излучения с термоупругими тканями, сопровождающееся, возможно, их периодической деформацией. В ходе этого процесса при амплитудно-импульсной манипуляции возникают как бы механические ударные волны, воспринимаемые человеком в виде внутреннего звука, который никак не связан с колебанием барабанной перепонки. Этот сенсорно-акустический эффект представляет собой физическое явление, связанное с преобразованием электромагнитной энергии в низкочастотные механические колебания на пути к рецепторному аппарату путем костной звукопроводимости. Также было обнаружено, что при соответствующем выборе ампли-тудно-модулированного сигнала существует возможность передавать человеку информацию в виде отдельных слов, фраз и других звуков. Громкость воспринимаемого звука можно увеличить, но акустическую травму нанести невозможно, поскольку барабанная перепонка в процессе не участвует [2]. Формирование же спектра, воспринимаемого человеком в виде слухового ощущения, определяется взаимодействием анатомических структур, представляющих как бы систему акустических резонаторов с динамической связью, выше критической [4].

В ранних работах и более поздних публикациях, посвящённых исследованию эффекта радиозвука (см., например, [5]), присутствует, как правило, направленность на физиологическую трактовку этого явления, связанного с особенностями либо слуховой системы, либо с непосредственным влиянием модулированного СВЧ электромагнитного поля на структуры мозга. Прямые физические измерений с размещением сенсорных элементов радиоэлектроники провести было не возможно. Опыты же на животных с вживлением электродов не дали сопоставимых результатов ввиду отсутствия адекватной реакции испытуемых животных на радиозвук [4]. Кроме того, зондирующие электроды сами находились под воздействием электромагнитного излучения, что сопровождалось, скорей всего, детектированием и гальваническим эффектом.

Авторов настоящей работы интересует непосредственный механизм преобразования модулированного высокочастотного сигнала в низкочастотный звук, без привязки к физиологическим особенностям человека; объективное исследование электроакустического преобразования, в противоположность субъективно наблюдаемому на добровольцах радиозвуковому эффекту. Более того, в радиозвуковом эффекте, скорей всего, возбуждение акустических колебаний происходит в

Инфокоммуникационные технологии и системы

направлении, перпендикулярном распространению электромагнитной волны, а в электроакустическом эффекте звук должен распространяться по направлению действия электрического поля. Поэтому можно считать, что предлагаемые авторами исследования оригинальны в постановочной части. Исследования также должны гарантировать объективность и надёжность получаемых результатов. Рассмотрение в данной работе именно амплитудно-модулированного сигнала объясняется тем, что обнаружение звука возможно провести достаточно простыми средствами, например, с помощью пьеза датчика или же динамического микрофона. При амплитудной модуляции получается простой сигнал, удобный для частотного анализа и дальнейшего полномасштабного спектрального исследования. Конечно, также не исключаются исследования и при амплитудно-импульсной модуляции, и при амплитудной манипуляции.

В настоящей публикации представлены исследования возможных эффектов прямого воздействия высокочастотного поля в лечебной практике или физиотерапии [6, 7]. Рассматриваются и анализируются механизмы взаимодействия модулированного высокочастотного сигнала со слабо поглощающим веществом с целью обнаружения электроакустического эффекта. Слабая проводимость необходима, чтобы электродинамическое взаимодействие происходило не на границе раздела, а в значительном объёме, что определяется величиной скин-слоя. Возможно, что периодическая деформация сопровождающееся либо расширением, если происходит разогрев вещества, или сжатием, если происходит диэлектрическая поляризация. Для понимания механизма трансформации модулированного высокочастотного сигнала в звук необходимо представить его спектральные изменения, сопровождающиеся акустическими эффектами. В дальнейшей исследовательской работе разрабатывается лабораторный макет, который позволит выполнить критериальные эксперименты, и, конечно, обсудить их результаты.

В работах Р.Э. Тиграняна и В.В. Шорохова [4, 8], взятых за прототип, представлены методики, разработаны макеты и устройства для проведения модельных физических экспериментов с использованием резонансно-акустических полостей в виде стеклянных пробирок и сфер (стеклянные колбы, покрытые сантиметровым слоем пористой резины). Резонансно-акустические полости заполнялись жидкостью: гелем, этиловым спиртом или этанолом… Эти полости находились под воздействием излучения импульсных передатчиков значительной мощности в импульсе: 72 Вт на частоте 800 МГц и 560 Вт на частоте 2,375 ГГц. Частота следования радиоимпульсов находилась в звуковом диапазоне, а их длительность изменялась от 3 мкс до 10 мс. Акустические колебания фиксировались с помощью пьеза датчика из Титанита Бария – диск диаметром 2 см и толщиной 0,5 мм. В эксперименте линейчатые спектры возбуждаемых акустических сигналов соответствовали гармоническим откликам на основную частоту следования радиоимпульсов и попадающим на частоты резонатора, но первой гармоники по этой причине в спектре может и не быть. В качестве примера на рис. 2 приведены линейчатые спектры гармоник, полученных в сферическом резонаторе. Использовался импульсный генератор на частоте 2375 МГц с мощностью в импульсе 500 Вт. Резонатор располагался в торце открытого волновода, сечение которого 100 x 72 мм.

а)                      б)                       в)                         г)

Рис. 2. Спектр звука для сферы, заполненной этанолом. Частота следования радиоимпульсов 1,7 кГц, их длительность: а – 40 мкс, б – 80 мкс, в – 120 мкс, г – 160 мкс. Выделена седьмая гармоника [4]

К слабо поглощающим средам могут быть отнесены многие вещества, находящиеся в состояниях, когда проводящие свойства среды соотносятся с диэлектрическими. Аналитически это определяется соотношением между величинами действительной и мнимой компонентами комплексной диэлектрической проницаемости. Это же можно сказать и о комплексной проводимости. Для большинства веществ данное состояние достигается лишь в некоторой частотной области, в силу зависимости диэлектрической проницаемости и проводимости от частоты электромагнитной волны. Отметим, что слабо проводящие среды, включая почву, воду, в том числе, и физиологический раствор [9], обладают нелинейными вольтамперными характеристиками, что позволяет нам предположить наличие части спектра выходного сигнала в области низких частот. Это обеспечивает так называемую кросс-демодуляцию сигнала [10]. Существенной нелинейностью также обладает граница раздела сред, что здесь не обсуждаем. В предлагаемом ниже критериальном эксперименте применяется амплитудно-модулированный сигнал – АМ. Использование АМ-сигнала предполагает простоту анализа и однозначность получаемого результата.

АМ-сигнал может быть представлен в виде:

E c ( t ) = A cos( to c t ) + 1 Am cos( to c -to _s ) t + 1 Am cos( to c + to _s ) t,

где m – глубина модуляции; ɷ с – частота ВЧ-сигнала; ɷ s – частота НЧ-сигнала.

Из выражения (1) очевидно наличие в сигнале трёх частотных составляющих. В общем случае предположим, что ВАХ среды представима нелинейной функцией I = f ( U ), которая аппроксимируется в некоторой окрестности точки U ₀ полиномом Тейлора:

I = f (U 0 ) + a , (U - U 0 ) + a 2 (U - U 0 )² + ... + a „ (U - U 0 ) n .                                     (2)

В конечном счёте, можно говорить о наличии в спектре сигнала набора гармоник, определяемых соотношением комбинаторики:

n to , + k to ₂

, где ( k, n ) e Z . | k to ₂ - n to ,

Исходя из спектра амплитудно-модулированного сигнала (1), получаем, что самая низкочастотная составляющая сигнала определяется, как | k (ɷ с – ɷ s ) – n ɷ с | при k = n = 1 – это одна из боковых полос непосредственно связана с модулирующим сигналом.

Можно отметить, что в комбинационном спектре (3) выделяются именно низкочастотные сигналы, связанные с частотой модулирующего сигнала ɷs. В среде могут также возникнуть и токи или проводимости, или смещения на этой частоте и её первых гармониках. Совершенно очевидно, что спектры акустических колебаний на рис. 1, и наблюдаемые на других акустических моделях [3, 7], также подчиняются закону комбинаторики (3). Соотношение комбинаторики, рассмотренное здесь, не учитывает инерционных эффектов, которые в большей степени зависят от частоты несущего высокочастотного сигнала, и проявляются, например, в сегнетоэлектриках при приближении к гигагерцовому диапазону.

В эксперименте использовался лабораторный генератор GRG–450B на частоте 450 МГц с амплитудной модуляцией на частоте 2 КГц. Модулирующий сигнал создавался на генераторе ГЗ–112. Наблюдалось звучание с частотой 6 кГц на сегнетоэлектрическом преобразователя ТГМ–25Е (габариты: d = 17 мм, h = 2 мм).

Итак, в работе подтверждается наличие исследуемого эффекта нелинейно-инерционного преобразования модулированного ВЧ сигнала в НЧ звук. Звучание на третей гармоники связано, скорей всего, с частотной характеристикой преобразователя, что, однако, требует дополнительных исследований.