СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ БЕЗОПАСНОСТИ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ФОНА
METHOD OF DETERMINING SAFETY OF ELECTROMAGNETIC BACKGROUND

Изобретение относится к технике радиоизмерений и может быть использовано для определения безопасности для окружающей среды суммарного уровня электромагнитного излучения (ЭМИ) - электромагнитного фона, создаваемого радиоэлектронными средствами (РЭС) различного назначения в полосе частот от 5 Гц до 300 ГГц.
Известны методы измерения и оценки безопасности для окружающей среды уровней ЭМИ, создаваемых РЭС различного назначения (передающие технические средства телевидения и ЧМ радиовещания; станции подвижной и спутниковой радиосвязи; промышленное оборудование; абонентские терминалы систем сотовой и спутниковой радиосвязи; средства электронно-вычислительной, офисной и бытовой техники, электрические сети и цепи промышленной частоты 50 Гц и др.) в процессе их функционирования, - в интересах экспертизы безопасности указанных отдельных видов радиоэлектронных средств и оборудования [1-11].
Наиболее близким по технической сущности является способ определения безопасности группы N источников ЭМИ [2] (прототип предлагаемого изобретения), в основу которого положены две операции:
ПДУ
ПДУ
- определение уровня ЭМИ, эквивалентного суммарному уровню ЭМИ группы, состоящей из N РЭС, для которых установлены одинаковые предельно допустимые уровни (ПДУ) ЭМИ, с последующим сравнением их с ПДУ для напряженности поля Е (на частотах 0,3-300 МГц) и плотности потока энергии (ППЭ) в единицу времени ППЭ (на частотах 0,3-300 ГГц):
или
n
n
где E - напряженность электрического поля на частотах 0,3…300 МГц; ППЭ - плотность потока энергии на частотах 0,3…300 ГГц, создаваемые n-м источником в группе РЭС, n [1; N];
- определение для группы, состоящей из N РЭС, работающих в диапазонах частот с разными значениями ПДУ, критерия безопасности КБ вида:
1
2
1
2
где N - число РЭС в диапазоне 0,3…300 МГц; N - число РЭС в диапазоне 0,3…300 ГГц; N=N+N - общее число РЭС.
В случае выполнения условий (1)-(2) объект (группа РЭС) признается безопасным для окружающей среды по фактору ЭМИ, в случае невыполнения - считается небезопасным.
Недостатки прототипа состоят в следующем.
0
0
1. С помощью (1) эквивалентные уровни ЭМИ могут быть введены только для узкополосных сигналов, отвечающим условию Δf/f≤0,1; где Δf - занимаемая сигналом полоса частот; f - центральная частота спектра сигнала, тогда как фон по ЭМИ занимает полосу частот от 5 Гц до 300 ГГц и не является узкополосным.
E
H
П
0,5
0,5
2
2. Составляющие фона по ЭМИ с шумовой (квазишумовой, шумоподобной) структурой характеризуются средними уровнями спектральной фоновой плотности напряженности электрического поля: S, В/м (Гц), магнитного поля: S, А/м (Гц) или ППЭ: S, Вт/м Гц, что делает невозможной оценку их безопасности с помощью (1)-(2).
ПДУ
ПДУ
ПДУ
3. При вычислении КБ согласно (2) не учитываются уровни ЭМИ с частотами ниже 3 кГц (50 Гц; 5…2000 Гц; 2…400 кГц), для которых согласно [8-11] определены значения Е, В/м; Н, А/м; и плотности магнитного потока В, нТл.
E
H
П
0,5
0,5
2
Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение точности и достоверности определения безопасности фона по ЭМИ за счет учета всех его составляющих в полосе частот от 5 Гц до 300 ГГц, включая ЭМИ промышленной частоты 50 Гц и ЭМИ сигналов, не являющихся узкополосными. Дополнительным результатом является возможность учета при определении безопасности фона по ЭМИ сигналов, которые характеризуются средними уровнями спектральной фоновой плотности - напряженности электрического поля S, В/м (Гц), магнитного поля S, А/м (Гц) или ППЭ: S, Вт/м Гц, в том числе имеющих шумовую (квазишумовую, шумоподобную) структуру.
Сущность предлагаемого способа заключается в следующем.
k
2k
1k
0k
1k
2k
f
k
0k
1. Область частот 30 кГц…300 ГГц разделяется на М=7 декадных поддиапазонов, внутри каждого из которых имеется K=24 частотных участка с перекрытием на одну декаду: каждый такой участок имеет ширину Δf=f-f с центральной частотой f=(f+f)/2, k [1; K], так, что для него выполняется условие K=Δf/f≤0,1. Это позволяет представить реальный фон по ЭМИ в виде совокупности N дискретных монохроматических составляющих эквивалентного фона, обладающих той же энергией воздействия на биорецепторы ЭМИ, что и реальный фон.
1k
2k
0k
1k
2k
0k
f
k
0k
2. В таблице 1 представлены расчетные значения нормированных коэффициентов F; F и F, предназначенных для определения частот дискретных составляющих эквивалентного фона по ЭМИ в частотном диапазоне 30 кГц…300 ГГц. Индексы 1; 2 и 0 здесь относятся, соответственно, к нижним f; верхним f и центральным f частотам каждого из К=24 участков поддиапазона с перекрытием на одну декаду. Из таблицы 1 видно, что последний 24 участок предыдущего поддиапазона совпадает с первым участком последующего поддиапазона, что обеспечивает непрерывность при переходе от одного декадного поддиапазона к другому внутри общего диапазона частот 30 кГц…300 ГГц. Поскольку число декадных поддиапазонов равняется М=7, максимальное число монохроматических составляющих эквивалентного фона по ЭМИ (с учетом перекрытия крайних участков декадных поддиапазонов) есть М (K-1)=161. Согласно данным таблицы 1 среднее для всех n [1; 24] участков декадного поддиапазона значение K=Δf/f=0,1.
Таблица 1
Нормированные коэффициенты для определения частот дискретных составляющих эквивалентного электромагнитного фона в М=7 декадных поддиапазонах
k
F<sub>1k</sub>
F<sub>2k</sub>
F<sub>0k</sub>
1
3,0
3,3
3,15
2
3,3
3,7
3,5
3
3,7
4,1
3,9
4
4,1
4,5
4,3
5
4,5
4,9
4,7
6
4,9
5,5
5,2
7
5,5
6,0
5,75
8
6,0
6,7
6,35
9
6,7
7,3
7,0
10
73
8,1
7,7
11
8,1
9,0
8,5
12
9,0
10,0
9,5
13
10,0
11,0
10,5
14
11,0
12,0
11,5
15
12,0
13,0
12,5
16
13,0
15,0
14,0
17
15,0
16,0
15,5
18
16,0
18,0
17,0
19
18,0
20,0
19,0
20
20,0
22,0
21,0
21
22,0
24,0
23,0
22
24,0
27,0
25,5
23
27,0
30,0
28,5
24
30,0
33,0
31,5
1k
2k
0k
1k
2k
0k
1k
М
1k
2k
М
2k
0k
М
0k
М
3. Переход от нормированных коэффициентов F, F и F к реальным частотам f, f и f для любого из М поддиапазонов в составе общего диапазона частот 30 кГц…300 ГГц производится по формулам f=К F, f=К F, f=К F, где значения и размерность коэффициента К берутся из таблицы 2.
Таблица 2
Значения и размерность коэффициента К<sub>М</sub> для разных поддиапазонов в пределах диапазона частот 30 кГц…300 ГГц
№ п/п
Декадный поддиапазон
Коэффициент К<sub>М</sub>
1
30…300 кГц
10 кГц
2
0,3…3 МГц
0,1 МГц
3
3…30 МГц
1 МГц
4
30…300 МГц
10 МГц
5
0,3…3 ГГц
0,1 ГГц
6
3…30 ГГц
1 ГГц
7
30…300 ГГц
10 ГГц
f
k
0k
4. Поскольку каждый из М(К-1)=161 частотных участков с номером k отвечает условию K=Δf/f≤0,1, в его пределах фон по ЭМИ можно считать узкополосным сигналом и заменить его эквивалентным монохроматическим сигналом с уровнем
или
где k - номер частотного участка; k [1; K]; K=24; n - номер РЭС из общего числа n [1; N] РЭС, размещенных в пределах k-го участка. Это позволяет представить реальный фон по ЭМИ в виде совокупности М (K-1)=161 дискретных монохроматических составляющих эквивалентного фона (3), обладающих той же энергией воздействия на биорецепторы ЭМИ, что и реальный фон, и по аналогии с (2) оценить безопасность ЭМИ в полосе частот 30 кГц…300 ГГц по критерию
1Э
2Э
Э
1Э
2Э
Э
где n - номер составляющей эквивалентного фона из числа N таких составляющих в диапазоне 0,3…300 МГц; m - номер составляющей эквивалентного фона из числа N таких составляющих в диапазоне 0,3…300 ГГц; N=N+N - общее число составляющих эквивалентного фона; N≤M (K-1).
50
ПДУ50
50
ПДУ50
5. Для ЭМИ промышленной частоты 50 Гц нормативными документами [8-9] для напряженности электрического поля Е, В/м определен ПДУ Е, В/м; и для напряженности магнитного поля Н, А/м определен ПДУ Н, А/м. Тогда, также по аналогии с (2), можно оценить безопасность ЭМИ частоты 50 Гц по критерию
Вn
ПДУВn
Bn
ПДУВn
6. Для ЭМИ в полосе частот 5 Гц…30 кГц ведомственными нормативными документами [7-11] для напряженности электрического поля n-го источника Е, В/м определены ПДУ Е, В/м; и для напряженности магнитного поля H, А/м определены ПДУ Н, А/м. Тогда, по аналогии с (4), можно оценить безопасность ЭМИ в полосе частот 5 Гц…30 кГц по критерию
где n [1; N] - число источников ЭМИ в полосе частот 5 Гц…30 кГц.
ЭНЧ
ПДУ ЭНЧ
ЭНЧ
ПДУ ЭНЧ
ЭВЧ
ПДУ ЭВЧ
ЭВЧ
ПДУ ЭВЧ
7. Для ЭМИ, создаваемого ЭВМ, нормативными документами [10-11] в полосе частот 5…2000 Гц для напряженности электрического поля Е, В/м определен ПДУ Е, В/м; для плотности магнитного потока В, нТл определен ПДУ В, нТл. В полосе частот 2…400 кГц для напряженности электрического поля Е, В/м определен ПДУ Е, В/м; для плотности магнитного потока В, нТл определен ПДУ В, нТл. Тогда, по аналогии с (5), можно оценить безопасность ЭМИ ЭВМ по критерию
8. Считая, что суммарный фон по ЭМИ состоит из ЭМИ в полосе частот 30 кГц…300 ГГц, ЭМИ промышленной частоты 50 Гц и ЭМИ ЭВМ, степень его безопасности, по аналогии с (2), определяется по критерию
n
n
П
П
Ш
9. Для ЭМИ каждого n-го шумового сигнала, в пределах каждого k-го занимаемого частотного участка из общего числа М(N-1) участков в полосе частот 30 кГц…300 ГГц, уровни  и ППЭ, фигурирующие в (3), а также уровень  определяются по формулам  если известна фоновая плотность шума , и ППЭ=SΔf, если известна фоновая плотность шума S, а также  если известна фоновая плотность шума , после чего коэффициент КБ согласно общей схеме (4)-(8) находится как
1Э
2Э
Э
1Э
2Э
Э
где n - номер составляющей фона, эквивалентного шумовому сигналу из числа N таких составляющих в диапазоне 0,3…300 МГц; m - номер составляющей фона, эквивалентного шумовому сигналу из числа N таких составляющих в диапазоне 0,3…300 ГГц; N=N+N - общее число составляющих фона, эквивалентного шумовому сигналу; N≤M(K-1).
Критерий оценки безопасности суммарного фона по ЭМИ (9) с учетом присутствия шумовых (квазишумовых, шумоподобных) сигналов принимает вид
Предлагаемый способ оценки реализуется следующим образом:
f
k
0k
k
2k
1k
0k
1k
2k
- область частот 30 кГц…300 ГГц разделяют на М=7 поддиапазонов, каждый из которых делят на K=24 частотных участка с перекрытием К=Δf/f≤0,1; где Δf=f-f - ширина участка, f=(f+f)/2 - центральная частота, k [1; K];
- для каждого k-го участка определяют уровень дискретной составляющей эквивалентного электромагнитного фона согласно (1) по формулам
или
где n - номер радиоэлектронного средства из общего числа n [1; N] радиоэлектронных средств, размещенных в пределах k-го участка, для всех М (K-1)=161 дискретных составляющих эквивалентного электромагнитного фона в области частот 30 кГц…300 ГГц;
MN
- определяют для области частот 30 кГц…300 ГГц коэффициент безопасности электромагнитного фона KБ по формуле
1Э
2Э
Э
1Э
2Э
где n - номер дискретной составляющей эквивалентного электромагнитного фона из числа N таких составляющих в диапазоне 0,03…300 МГц; m - номер дискретной составляющей эквивалентного электромагнитного фона из числа N таких составляющих в диапазоне 0,3…300 ГГц; N=N+N≤М (K-1) - общее число дискретных составляющих эквивалентного электромагнитного фона;
50
- определяют для источников электромагнитного излучения на промышленной частоте 50 Гц коэффициент безопасности электромагнитного фона КБ по формуле
50
ПДУ 50
50
ПДУ 50
где Е, В/м и Е, В/м - соответственно, измеренный уровень и предельно допустимое значение напряженности электрического поля; Н, А/м и Н, А/м - соответственно, измеренный уровень и предельно допустимое значение напряженности магнитного поля на частоте 50 Гц;
В
- определяют для источников электромагнитного излучения в полосе частот 5 Гц…30 кГц коэффициент безопасности электромагнитного фона КБ по формуле
Вn
ПДУ Bn
Bn
ПДУ Bn
где Е, В/м и Е, В/м - соответственно, измеренный уровень и предельно допустимое значение напряженности электрического поля для n-го источника; H, А/м и Н, А/м - соответственно, измеренный уровень и предельно допустимое значение напряженности магнитного поля для n-го источника; n [1; N] - число источников в полосе частот 5 Гц…30 кГц;
НЧ
ВЧ
- определяют для электромагнитного излучения ЭВМ коэффициенты безопасности электромагнитного фона КБ и КБ по формулам
ЭНЧ,
ПДУЭНЧ
ЭНЧ
ПДУЭНЧ
ЭВЧ
ПДУЭВЧ
ЭВЧ
ПДУЭВЧ
где Е В/м и Е, В/м - соответственно, измеренный уровень и предельно допустимое значение напряженности электрического поля для ЭВМ в полосе частот 5…2000 Гц; В, нТл и В, нТл - соответственно, измеренный уровень и предельно допустимое значение плотности магнитного потока для ЭВМ в полосе частот 5…2000 Гц; Е, В/м и Е, В/м - соответственно, измеренный уровень и предельно допустимое значение напряженности электрического поля для ЭВМ в полосе частот 2…400 кГц; В, нТл и В, нТл - соответственно, измеренный уровень и предельно допустимое значение плотности магнитного потока для ЭВМ в полосе частот 2…400 кГц;
- для каждого n-го источника шумового электромагнитного излучения в пределах k-го занимаемого частотного участка из общего числа М(N-1) участков в полосе частот 30 кГц…300 ГГц определяют уровни дискретных составляющих эквивалентного электромагнитного фона по формулам:  если известна фоновая плотность шума по напряженности электрического поля ,
n
n
П
П
Δf, если известна фоновая плотность шума по напряженности магнитного поля , ППЭ=SΔf, если известна фоновая плотность шума по плотности потока энергии в единицу времени S,
Ш
- определяют для суммарного шумового электромагнитного излучения в полосе частот 30 кГц…300 ГГц коэффициент безопасности КБ по формуле
1Э
2Э
Э
1Э
2Э
где n - номер дискретной составляющей электромагнитного фона, эквивалентного шумовому сигналу из числа N таких составляющих в диапазоне 0,03…300 МГц; m - номер дискретной составляющей электромагнитного фона, эквивалентного шумовому сигналу из числа N таких составляющих в диапазоне 0,3…300 ГГц; N=N+N≤М (K-1) - общее число дискретных составляющих электромагнитного фона, эквивалентного шумовому сигналу;
- критерий безопасности КБ суммарного электромагнитного фона определяют по формуле
MN
50
В
ЭНЧ
ЭВЧ
Ш
КБ=КБ+КБ+КБ+КБ+КБ+КБ≤1.
МN
50
В
ЭНЧ
ЭВЧ
Ш
Таким образом, в отличие от прототипа, данный критерии безопасности учитывает все составляющие фона по ЭМИ в полосе частот 5 Гц…300 ГГц, для которых нормативными документами определены или могут быть определены значения ПДУ. Предлагаемый способ универсален, прост и эффективен, он удобен для реализации и легко поддается автоматизации, поскольку данные, необходимые для расчета коэффициентов КБ; КБ; КБ; КБ; КБ и КБ могут быть получены непосредственно при компьютерной обработке результатов измерений уровней ЭМИ для разных РЭС, формирующих фон по ЭМИ.
Литература
1.Маслов О.Н. Электромагнитная безопасность радиоэлектронных средств. - М.: МЦНТИ, Мобильные коммуникации, 2000. - 82 с.
2. Гигиенические требования к размещению и эксплуатации передающих радиотехнических объектов. СанПиН 2.1.8/2.2.4.1383-03. - М.: Минздрав России, 2003.
3. Гигиенические требования к размещению и эксплуатации средств сухопутной подвижной радиосвязи. СанПиН 2.1.8/2.2.4.1190-03. - М.: Минздрав России, 2003.
4. Электромагнитные поля в производственных условиях. СанПиН 2.2.4.1191-03. - М.: Минздрав России, 2003.
5. Гигиенические требования к видеодисплейным терминалам, персональным электронно-вычислительным машинам и организация работы. СанПиН 2.2.2.542-96. - М.: Госкомсанэпиднадзор России, 1996.
6. Определение уровней электромагнитного поля, создаваемого излучающими техническими средствами телевидения, ЧМ радиовещания и базовых станций сухопутной подвижной радиосвязи. МУК 4.3.1677-03. - М.: Минздрав России, 2003.
7. Гигиеническая оценка электромагнитных полей, создаваемых радиостанциями сухопутной подвижной радиосвязи, включая абонентские терминалы спутниковой связи. МУК 4.3.1676-03. - М.: Минздрав России, 2003.
8. Санитарные нормы и правила выполнения работ в условиях воздействия электрических полей промышленной частоты (50 Гц). СНиП №5802-91, Госкомсанэпиднадзор РФ, 1993.
9. Переменные магнитные поля промышленной частоты (50 Гц) в производственных условиях. СанПиН 2.2.4.723-98. Федеральный центр Госсанэпиднадзора Минздрава РФ, 1999.
10. Гигиенические требования к видеодисплейным терминалам, персональным электронно-вычислительным машинам и организация работы. СанПиН 2.2.2.542-96. - М.: Госкомсанэпиднадзор РФ, 1996.
11. ГОСТ Р 50949-96. Средства отображения информации индивидуального пользования. Методы измерений и оценки эргономических параметров и параметров безопасности. Введен 11.09.96, №577.