CC BY
14
УДК 5 74.5
В.В. Александров, Д.В. Александров, Б.В. Александров
ВЫСОКОЧАСТОТНОЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ В ТЕХНОСФЕРЕ И ОТВЕТНЫЕ РЕАКЦИИ ЭКОСИСТЕМ
Современные проблемы безопасности жизнедеятельности в значительной степени обусловлены неионизирующим электромагнитным излучением (ЭМИ) систем сотовой радиосвязи. Ожесточенные дискуссии по оценке опасности или безопасности повсеместного применения сотовой связи не дают однозначных ответов на эти вопросы в области как фундаментальных, так и прикладных исследований [1]. Особенно достижения последних трех—пяти лет показывают, что именно медицинские аспекты проблемы остаются крайне обостренными и далекими от разрешения [2].
Проблемы экологической безопасности для промышленного Северо-Западного региона России требуют законодательных решений.
В Лаборатории электрофизики естественных экосистем Санкт-Петербургского государственного политехнического университета в качестве тест-объектадля изучения воздействия ЭМИ на биологические объекты было предложено использовать изменение магнитного поля среды обитания (вертикальной компоненты) ДВ2 в периоды функционирования различных источников излучения для различных диапазонов — от ультранизкочастотного (0,001 Гц) вплоть до выс-кочастотного, включая излучение телефонных аппаратов сотовой связи ТА [ 1].
Помимо задач, связанных с выявлением изменения В2 в объёме пространства в ближней зоне ТА различных конструкций и модификаций и оценки изменчивости В2 при использовании различных режимов функционирования ТА, ставилась цель:
испытать матричные преобразователи-аппликаторы конструкции Фонда новых медицинских технологий "Айрэс", предназначенные для возможного снижения уровня энергии воздействия ЭМИ на слуховые органы потребителя;
Посвящается памяти ихтиолога и селекционера канд. биол. наук Е.С. Слуцкого
подтвердить возможность действия современных ТА на физиологию поведения гидробионтов (аквариумные золотые рыбки Carassius Auratus).
Исходя из поставленной цели исследований Лаборатория электрофизики естественных экосистем провела экспериментальную работу по оценке действия миниатюрных источников не-ионизирующего ЭМИ на аквариумных рыб ТА системы сотовой связи в сети МТС. Причем зерно задачи — сравнить результаты действия излучения при функционировании источника как в типовых условиях, так и в условиях применения защитных устройств Фонда "AIRES".
Для решения поставленных задач предварительно обследовались электромагнитные поля ЭМП помещения и применявшейся аппаратуры сотовой связи (ТА) и оптимально размещалась установка, включавшая в себя: источники ЭМИ (ТА), аквариумы с рыбами (два опытных, один контрольный), ПЭВМ, оснащённые web-камерами, а также комплект контроля переменного МП в лаборатории. В комплект входили: преобразователь магнитной индукции ПМИ "НЕВА-5", преобразователь квазипостоянного МП тесламетр "НЕВА-4", преобразователь индукции переменного магнитного поля тесламетр "НЕВА-3", измеритель напряженности пермен-ного электрического поля "НЕВА-Эдн". Аппаратура сконструирована и аттестована Государственным научным центром ЦНИИ им. акад. А.Н. Крылова (фирма ЭТН, Санкт-Петербург) [1,с. 591-595].
Эксперименты проводились на трех компьютерах (операционная система Windows ХР):
Intel Celeron764 МГц, 128 Mb, HDD - 40 ГГб, web-camera Creative;
Intel Celeron 1100 МГц, 128 Mb, HDD - 30 ГГб, web-camera Logitech.
И пшх.
Рис. 1. Схема установки для видеорегистрации двигательной активности рыб 1 — источник электромагнитного излучения; 2— аквариум с рыбами; 3 — \уеЬ-камера; 4 иБВ-шина; 5— компьютер
Первые два компьютера оснащены web-ка-мерами для съёмки поведения рыб в аквариумах. Камеры управлялись с помощью программного пакета Image Studio 7.2, который производил считывание информации с камер, вывод на экран и сохранение полученных файлов в формате AVI. Третий компьютер использовался как сервер, был объединен в сеть с остальными и производил запись на CD диски для последующей обработки (рис. 1).
Аквасистемы. Исследовалась физиология поведения популяции золотой рыбки Carassius Auratus japonicus flabellicaudatus, Slutsky, 1985. Популяция создана в 1970 году на основе близкородственного скрещивания организмов, имеющих общих предков (жесткий инбридинг). Генетически чистый материал поддерживается в
настоящее время в государственном НИИ охраны рыбного хозяйства (рис. 2).
Рыб разместили в трёх аквариумах ёмкостью 30 л по 20 особей в каждом. Два аквариума из них применили непосредственно в опытах: на первый аквариум действовал сотовый телефон с нейтрализатором, а на второй — сотовый телефон без нейтрализатора. Третий аквариум использовался в качестве контрольного. Все аквариумы были оснащены фильтрами для очистки воды, аэраторами и термодатчиками. Велся контроль состояния воды с помощью рИ-метра. Регистрация двигательной активности in vivo (ДА) рыб проводилась с помощью web-камер Logitech и Creative. Видеосъёмка требует специальных условий освещения, защиты поля зрения камер от побочных источников помех, обеспечения защи-
Рис. 2. Изучение физиологии поведения популяции золотой рыбки Сагазз'шз Аигашз ¡а/ют'сих ¡ТаЬеШсаискчиз, БШзку, 1985
г
ты животных от дополнительных и нежелательных источников раздражения (освещения, шума) и сохранения покоя при достаточном снабжении кислородом. Необходим комфортный режим для работы телефонных аппаратов, компьютеров и т. д. Структура метода регистрации ДА рыб показана на рис. 1.
Методика должна обеспечить объективную автоматизированную оценку ДА для заданных периодов времени и предполагает минимальное участие человека на всех этапах получения и обработки данных.
На схеме (рис. 3) расшифрована структура метода регистрации активности рыб.
На I этапе получен файл видеоданных (фильм, хранящийся на жестком диске ПК).
На II этапе после математической обработки фильма получают первичную кривую ДА рыб, т. е. временной ряд чисел, характеризующий интенсивность движения рыб в каждый момент времени.
На III этапе после математической обработки первичной кривой ДА для выявления различных характеристик активности получают статистический материал — спектр плотности энергии активности для характерных биоритмов, статистические оценки, корреляционные функции и т. д.
На IV этапе формируются оценки, дающие представление о том, насколько измеренные характеристики ДА для определенного промежутка времени (биоритма) отклоняются от нормы поведения, т. е. имеется или нет аномальность в активности, исходя из опыта многолетних наблюдений и статистических данных.
Особо следует остановиться на характеристике подсистемы "обработкавидеоизображения" (II этап). Она представляет собой набор программ с использованием стандартной библиотеки функций обработки изображений. Исходным для данного комплекса программ является фильм в
формате AVI; результат работы — первичная кривая ДА и статистическая диаграмма расположе -ниярыб (рис. 4).
Эта диаграмма представляет собой поверхность на трёхмерном графике, где координатная плоскость XY соответствует плоскости изображения, а координата ZKa>K4oii точки поверхности равна числу кадров, на которых точка с координатами (х, у) была белой. То есть чем выше лежит точка над плоскостью XY, тем дольше рыба находилась в этой области кадра за исследуемый промежуток времени.
Основные этапы математической обработки фильма показаны на рис. 5 и 6.
Таким образом, последовательность операций, выполненных для каждого кадра исходно-гофильма, дает зависимость числа белых точек на картинках за счет вычитания двух последовательных кадров, образуя первичную кривую ДА рыб.
Опыт обработки изображения по изложенному алгоритму показал трудоёмкость расчётов и их длительность. Поэтому ведется совершенствование и оптимизация программ. Далее рассмотрим реальные примеры визуализации результатов видеосъёмки в период облучения экосистем ЭМИ сотовой связи.
Спектральная оценка двигательной активности рыб при кратковременном воздействии (08.01.2003). Для предварительной оценки результатов измерений и наблюдений за поведением рыб в течение кратковременного воздействия излучения сотовых телефонов (от 1 мин до 1 ч) выделены три блока графических материалов:
спектральная плотность энергии двигательной активности (ДА) за периоды: 08.01.2003 в течение 16.46-17.40 и 09.01.2003 в течение 17.5019.30;
диаграммы группового перемещения рыб в объёме аквариума в поле зрения web-камеры за период 08.01.2003 в течение 16.46-17.40;
Получение
видеоизображения
I этап
Фильм —►
Обработка -
изображения
Временной ряд
Обработка временного ряда
Числовые
данные -►
II этап
III этап
IV этап
Рис. 3. Структура метода обработки видеосъёмки
^Научно-технические ведомости СПбГПУ 6' 2009
усредненная спектральная плотность энергии ДА рыб за период 11.01.2003 в течение 10.30— 13.30 (см. рис. 4).
Проведены кратковременные циклы облучения рыб в различных режимах функционирования ТА по 3 мин (статистика более ста опытов), длительное облучение от 1 ч до 1 сут (статистика 14 опытов), проведены спектральный и фрактальный анализы пульсаций ДА, получены оценочные данные по результатам съемки (Hurst-exponent, Fractal Brownian motion coefficient, Spectral dimension), статистические диаграммы
Режим ожидания,аквариум*В, 11 января,10:41 -10:42
20 40 ео ао юо 12а 140 1 so
Рис. 4. Трёхмерный планшет плотности концентрации рыб в поле зрения web-камеры
плотности распределения рыб по аквариуму, выявлены спектральные энергетические зоны в распределении СК/) ~ „Г", характеризующие поведение рыб.
Обнаружили различие в действии ЭМИ ТА в диапазоне 900/1800 МГц для двух принципиально разных условий жизнедеятельности животных: угнетающая роль излучения при обычных условиях функционирования ТА;
защитная функция нейтрализаторов Фонда "Айрэс", проявившаяся в сохранении ДА при кратковременном экспонировании.
В лаборатории "Электрофизика природных экосистем" СПбГПУ изучалась двигательная активность аквариумных рыб Сатззш ЛитШз автоматизированным методом видеосъёмки, который применен для этой цели впервые и находится в стадии совершенствования. Тем не менее известна острая необходимость выявления физиологической роли действия неионизирую-щего электромагнитного излучения (НЭМИ) современной аппаратуры сотовой связи на человека. Критерии безопасности не выявлены, средства нейтрализации последствий интенсивного облучения тканей головного мозга не нашли широкого применения ввиду недостаточной уверенности в их эффективности. С этой целью была проведена экспериментальная поисковая работа по выявлению эффекта применения нейтрализаторов ЭМ аномалий "Айрэс".
е)
Рис. 5. Примеры кадров на разных этапах обработки фильма: а — исходный фильм; б — после инвертирования; в — усредненный кадр
е)
Рис. 6. Получение разности кадров для оценки интенсивности движения: а и б — два последовательных кадра после пороговой обработки и фильтрации; в — разность кадров
На (рис. 7, а) представлены данные по фоновому состоянию активности рыб для двух типов аквариумов, атакже для режима ожидания (рис. 7, б).
При звонке по телефонам существенной разницы в активности не отметили, но в режиме разговора разница была существенной (рис. 7, б) для тех же аквариумов: наблюдалось расслоение группы и погружение части популяции на дно (угнетение активности).
Как показывают диаграммы рис. 7, г, д, животные после воздействия ЭМИ даже после отдыха без аэратора и с аэратором не возвращаются в прежнее состояние, и активность их долгое время угнетена.
В НЦ СПбГПУ на кафедре "Гражданское строительство и прикладная экология" в течение дли-
тельного времени создавалась новая методика регистрации двигательной активности рыб путём анализа видеоизображений. Проведено много испытаний и получены обнадеживающие результаты, которые показывают, что такой подход может быть использован не только к водным экосистемам. Насекомые, сухопутные животные, даже растения, могут быть взяты в качестве экспериментального материала для изучения различных видов ЭМИ и их воздействия на отдельные экосистемы с различными вариантами содержания, питания, размножения и т. д. Поэтому целесообразно такую методику развивать, оптимизируя программы вычислений и повышая достоверность результатов при снижении материальных затрат.
Кроме рассмотренных результатов действия ЭМИ высокой частоты следует обратить внимание
20 40 50 ЕО 100 120 140 160 20 ■ 1. 60 □ □ 100 120 140 1ВП
Рис. 7. Диаграмма группового перемещения рыб в объёме аквариума в поле зрения \геЬ-камеры
Продолжение рисунка на с. 52
в)
17:00—17:30, Разговор 8 января, аквариум # 8
Разговор, аквариум # 9, 8 января, 17:00—17:30,
20 40 60 ВО 100 120 140
17:30—17:35, Отдых без а^атора 8 января, аквариум # 8
160 20 40 60 80 100 120 140
Отдых без а^атора, аквариум »9,8 января, 17:30—17:35,
1ЁО
20 40 50 ВО 100 120 140
17:35—17:40, Отдых с а^атором 8 января, аквариум # 8
160 20 40 60 ВП юа 120 140 160
Отдыхе а^атором, аквариум # 9,8 января, 17:35—17:40,
Рис. 7. Диаграмма группового перемещения рыб в объёме аквариума в поле зрения \геЬ-камеры
и на эволюционный аспект проблемы взаимо- постулирована К. Гауссом. Но современное пред-
действия биообъектов с геомагнитным полем. ставление о происхождении ГМП и его свой-
Известно, что аппроксимация геомагнитно- ствах, изменяющихся на протяжении миллиар-
го поля плоским геоцентрическим диполем была дов лет, обосновано сравнительно недавно, оно
базируется на постулировании эффекта самовозбуждения магнитных полей вследствие движения проводящей жидкости или газовой плазмы — динамо-эффекта [3].
Динамо-эффект для Земли как космического тела обусловлен несовпадением оси вращения Земли и ее магнитной оси, и его связывают с конвек-тивнымдвижением проводящего вещества ее жидкого ядра и со всплытием в этой среде более легких примесей под действием архимедовой силы. Конвективные движения приподнимают силовые линии тороидального поля, и при определенныхусло-виях они могут образовывать петли, которые потом сливаются с полоидальным полем и усиливают его.
Теория динамо-эффекта приводит также к возможности самообращения магнитной оси (переполюсовке магнитного поля Земли) и долго-периодическим колебаниям ГМП (вековым ва-
риациям), что отражает реальные свойства земного магнитного поля.
Наше мнение заостряет внимание специалистов на том, что биообъекты, адаптированные в течение миллиардов лет ктаким свойствам ГМП, в современных условиях попадают в поле воздействия ЭМИ высоких частот и теряют естественные физиологические свойства как целостного организма, так и его частей. Этим вполне объяснима угнетающая роль ЭМИ ТА при экспериментах [1,3].
Авторы выражают признательность коллегам, студентам, инженерам, внесшим большой вклад в полученные результаты: М.П. Федорову, И.А. Цикину, И.Н. Серову, Д.А. Уставникову, O.E. Богодист, Ю.М. Балагуле, А.Я. Сергееву, В.А. Ефремову, Н.В. Коровкину, В.А. Сороцко-му, Д.И. Иванову, В.А. Тартыжеву, Л.А. Поповой, М.Ю. Александровой.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Александров В.В. Экологическая роль 2. BioEM2009. Davos, Switzerland. Technical электромагнетизма. СПб.: Изд-воПолитехи, ун- program. 2009. June 14—19. 58 p. та. 2006. 716 с. 3. Физический энциклопедический словарь.
М.: Сов. энцикл. 1983. С. 161.
УДК 621.375
H.H. Прокопенко, Д.Н. Конев, А.И. Серебряков
СПОСОБ ПОВЫШЕНИЯ СТАБИЛЬНОСТИ НУЛЯ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОГО УСИЛИТЕЛЯ С МЕСТНОЙ ОТРИЦАТЕЛЬНОЙ ОБРАТНОЙ СВЯЗЬЮ В УСЛОВИЯХ ТЕМПЕРАТУРНЫХ И РАДИАЦИОННЫХ ВОЗДЕЙСТВИЙ
Радиационное и температурное воздействия изменяют напряжение эмиттер — база ¿Х^, обратный ток коллекторного перехода /кб0 и коэффициент усиления по току базы (Р) транзисторов. При этом два последних фактора приводят к нестабильности тока базы.
Для минимизации первой систематической составляющей ¿7см1, обусловленной дрейфом ¿/эб, применяются хорошо известные параллельно-балансные схемы дифференциальных каскадов (ДК), в которых обеспечивается взаимная компенсация нестабильности ¿7эб двух одинако-
вых входных транзисторов ДК. В результате эта составляющая напряжения смещения, например операционных усилителей (ОУ), уменьшается:
Что касается второй составляющей ¿/см2, зависящей от изменений Р транзисторов ОУ, то методы ее минимизации в публикациях по микросхемотехнике не рассматривались. Чтобы получить исм2 ~ 0, необходимы специальные архитектурные решения входного ДКи его выходной подсхемы буферного усилителя (БУ), в которых реализуются эффекты взаимной
