CC BY
4Technosphere Safety Техносферная безопасность
EDN: UEVNMS УДК 537.86: 621.3.09
Experimental Study of the Electromagnetic
Environment Taking Into Account
the Superposition of Electromagnetic Waves
Evgeny V. Titov and Elena B. Osmushkina*
Polzunov Altai State Technical University Barnaul, Russian Federation
Received 09.03.2023, received in revised form 15.05.2023, accepted 10.08.2023
Abstract. The article considers the issues of assessing the electromagnetic environment in the premises of the agro-industrial complex with an installation for irrigation of agricultural crops. The results of experimental measurements of the energy flux density from the investigated installation are presented. Zones with a high energy flux density exceeding the maximum permissible levels have been identified. The expressions used to determine the intensity of the resulting electromagnetic wave are indicated. A tep-by-step process of obtaining the resulting wave for each side of the installation by superimposing the amplitude values of the intensity of the electromagnetic field for the selected frequency components is given. The practical value of the considered technique of applying electromagnetic waves in a wide frequency range is substantiated for further use of the results obtained in assessing the state of the electromagnetic environment and ensuring the safe stay of people near the investigated installation.
Keywords: electromagnetic field intensity, experimental measurements, irrigation plant, the technique of applying electromagnetic waves, computer simulation, electromagnetic environment.
Citation: Titov, E.V., Osmushkina, E. B. Experimental study of the electromagnetic environment taking into account the superposition of electromagnetic waves. J. Sib. Fed. Univ. Eng. & Technol., 2023, 16(6), 658-666. EDN: UEVNMS
© Siberian Federal University. All rights reserved
This work is licensed under a Creative Commons Attribution-Non Commercial 4.0 International License (CC BY-NC 4.0). Corresponding author E-mail address: lenaosmushkina@mail.ru
*
Экспериментальное исследование электромагнитной обстановки с учетом наложения электромагнитных волн
Е. В. Титов, Е. Б. Осьмушкина
Алтайский государственный технический университет
имени И. И. Ползунова Российская Федерация, Барнаул
Аннотация. В статье рассмотрены вопросы оценки электромагнитной обстановки в помещении АПК с установкой для орошения сельскохозяйственных культур. Представлены результаты экспериментальных измерений плотности потока энергии от исследуемой установки. Определены зоны с высоким значением плотности потока энергии, превышающим предельно допустимые уровни. Указаны выражения, используемые для определения интенсивности результирующей электромагнитной волны. Приведен поэтапный процесс получения результирующей волны для каждой стороны установки путем наложения амплитудных значений интенсивности электромагнитного поля для выбранных частотных составляющих. Обоснована практическая ценность рассмотренной методики наложения электромагнитных волн в широком частотном диапазоне для дальнейшего использования полученных результатов при оценке состояния электромагнитной обстановки и обеспечении безопасного пребывания людей вблизи исследуемой установки.
Ключевые слова: интенсивность электромагнитного поля, экспериментальные измерения, установка для орошения, методика наложения электромагнитных волн, компьютерное моделирование, электромагнитная обстановка.
Цитирование: Титов Е. В. Экспериментальное исследование электромагнитной обстановки с учетом наложения электромагнитных волн / Е. В. Титов, Е. Б. Осьмушкина // Журн. Сиб. федер. ун-та. Техника и технологии, 2023, 16(6). С. 658-666. EDN: UEVNMS
Введение
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].
Ае = д/Xf + А22 +2AjA2 cos(Awt), (1)
где A1 - амплитудное значение первой частотной составляющей электромагнитного поля; A2 - амплитудное значение второй частотной составляющей электромагнитного поля; Да> - 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].
1 А - А
fy=f + -- 2 '-Af, (2)
2 Aj+A2
где f - среднее арифметическое значение частоты накладываемых электромагнитных колебаний, Гц; A1 - амплитудное значение первой частотной составляющей электромагнитного поля; A2 - амплитудное значение второй частотной составляющей электромагнитного поля; ДГ - 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):
л/^ т о /1 --I cos2ot t —
0,5 n ^ v
где = = 120я" - волновое сопротивление вакуума, Ом; П = -yjdi - коэффициент преломления среды; Im - 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/с.
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 1x2x2 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].
nro = -^-Imcos2;rf t— , (3)
0,5-n V. v.
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
ППЭ, ППЭ, ППЭ, ППЭ, ППЭ,
Частота мкВт/ см2 Частота мкВт/ см2 Частота мкВт/ см2 Частота мкВт/ см2 Частота мкВт/ см2
400 МГц 97,471 406 МГц 269,463
410 МГц 171,992 427 МГц 434,005
450 МГц 124,812 460 МГц 164,542
490 МГц 39,730 480 МГц 714,345
520 МГц 55,313 534 МГц 105,537
550 МГц 50,224 560 МГц 280,340
570 МГц 125,011 576 МГц 174,803
590 МГц 49,792 10,7 ГГц 1230,390
720 МГц 55,549 733 МГц 163,386
740 МГц 107,837 759 МГц 397,839
760 МГц 133,732 777 МГц 234,453
800 МГц 100,721 15,3 ГГц 516,045
28,09 ГГц 48,487 28,26 ГГц
28,37 ГГц 69,719 28,26 ГГц 118,206 118,206
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
- 664 -
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
ППЭ, ППЭ, ППЭ, ППЭ, ППЭ,
Частота мкВт/ см2 Частота мкВт/ см2 Частота мкВт/ см2 Частота мкВт/ см2 Частота мкВт/ см2
400 МГц 57,774 406 МГц 171,343
410 МГц 113,569 421 МГц 237,815
450 МГц 50,008 460 МГц 66,472
490 МГц 16,464 473 МГц 377,128
520 МГц 20,888 535 МГц 41,077
550 МГц 20,189 563 МГц 139,313
570 МГц 75,419 575 МГц 98,236 14,2 ГГц 638,157
590 МГц 22,817
720 МГц 25,156 734 МГц 87,420
740 МГц 62,264 758 МГц 207,931
760 МГц 73,235 776 МГц 120,511 11,6 ГГц 261,029
800 МГц 47,276
28,09 ГГц 17,832 28,28 53,098 28,28 53,098
28,37 ГГц 35,266 ГГц ГГц
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.
Список литературы / References
[1] Призыв учёных по защите от воздействия неионизирующего электромагнитного поля. Международное обращение к Генеральному Секретарю Организации Объединённых Наций Антониу Гутерришу, государствам - членам ООН [Электронный ресурс] - Режим доступа: https://www.emfscientist.org/index.php/emf-scientist-appeal [Scientists call for Protection from Non-ionizing Electromagnetic Field Exposure. International appeal to the Secretary-General of the United Nations Antonio Guterres, U. N. Member Nations [Electronic resourse] - Access: https://www. emfscientist.org/index.php/emf-scientist-appeal
[2] Маслов М. Ю., Сподобаев Ю. М., Сподобаев М. Ю. Обоснование предметной области электромагнитной безопасности, Электросвязь, 2018, 11, 63-67 [Maslov M. Yu., Spodobaev Yu.M., Spodobaev M. Yu. Substantiation of the subject area of electromagnetic safety, Telecommunication, 2018, 11, 63-67 (in Rus.)]
[3] Мишенков С. Л., Епифанова Е. С. Использование временных задержек при первичной обработке звуковых сигналов, Электросвязь, 2022, 1, 56-58 [Mishenkov S. L., Epifanova E. S. The use of time delays in the primary processing of audio signals, Telecommunications, 2022, 1, 56-58 (in Rus.)]
[4] Rubtsova N. B., Perov S., Belaya O. The development of mobile communication system and human health risks, Safety and Health at Work, 2022, 13, 10-11.
[5] Титов Е. В. Методология комплексного контроля и визуализации электромагнитной обстановки в АПК, автореф. дис. ... докт. техн. наук. Барнаул, 2021, 43 с. [Titov E. V. Methodology of integrated control and visualization of the electromagnetic environment in the agro-industrial complex, Thesis ... doct. of tech. Sci. Barnaul, 2021, 43 p. (In Rus.)]
[6] Крюков А. В., Черепанов А. В., Крюков А. Е. Определение электромагнитных влияний высоковольтных ЛЭП и тяговых сетей на трубопроводы, Электрооборудование: эксплуатация и ремонт, 2020, 9, 62-72 [Kryukov A. V., Cherepanov A. V., Kryukov A. E. Determination of electromagnetic influences of high-voltage power lines and traction networks on pipelines, Electrical equipment: operation and repair, 2020, 9, 62-72 (in Rus.)]
[7] Amineh R. K., Ravan M., Sharma R. Nondestructive Testing of Nonmetallic Pipes Using Wideband Microwave Measurements, IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, 2020, 68(5), 1763-1772.
[8] Titov E. V., Soshnikov A. A., Migalev I. E. Computer Imaging of Electromagnetic Environment in Air Space with Industrial Electromagnetic Field Sources in Conditions of Combined Influence of EM Radiation, Journal of Electromagnetic Engineering and Science, 2022, 22(1), 34-40.
[9] Никитина В. Н., Калинина Н. И., Ляшко Г. Г. Новые санитарно-эпидемиологические требования к физическим факторам на рабочих местах, Труды Санкт-Петербургского государственного морского технического университета, 2019, 5(5), 62-65 [Nikitina V. N., Kalinina N. I., Lyashko G. G. New sanitary and epidemiological requirements for physical factors in the workplace, Proceedings of St. Petersburg State Maritime Technical University, 2019, 5(5), 62-65 (in Rus.)]
