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        船舶雷達(dá)照射下人體電磁生物效應(yīng)仿真

        2020-01-01 05:25:08奚嘯天
        造船技術(shù) 2019年6期
        關(guān)鍵詞:熱效應(yīng)磁通電磁波

        呂 昊, 李 超, 劉 成, 奚嘯天

        (1.海裝裝備項(xiàng)目管理中心, 北京100071; 2.上海船舶工藝研究所, 上海200032)

        0 引 言

        隨著大功率雷達(dá)等射頻電子設(shè)備的推廣應(yīng)用,船舶電磁環(huán)境日趨復(fù)雜。大功率電磁波不僅會(huì)對(duì)敏感設(shè)備產(chǎn)生輻射串?dāng)_等電磁兼容問題,而且對(duì)人體也造成影響。生物電磁效應(yīng)[1]包括非熱效應(yīng)、熱效應(yīng)和累積效應(yīng)。非熱效應(yīng)機(jī)理復(fù)雜,國內(nèi)外各大機(jī)構(gòu)還未研究透徹其中機(jī)理,熱效應(yīng)是指外界電磁波的波動(dòng)能量加熱效應(yīng)和電阻加熱效應(yīng),波動(dòng)能量加熱效應(yīng)是生物極化分子隨電磁波高頻振動(dòng)的摩擦損耗,電阻加熱效應(yīng)是生物電流在生物組織的阻抗上形成的損耗。電磁波產(chǎn)生的熱效應(yīng)和非熱效應(yīng)會(huì)同時(shí)引發(fā)累積效應(yīng),繼而形成后續(xù)損傷。對(duì)于生物電磁效應(yīng)中的熱效應(yīng),國際上常用電磁波吸收比值(Specific Absorption Rate,SAR)這一物理量進(jìn)行描述。不論研究非熱效應(yīng)還是熱效應(yīng),人體內(nèi)的電場、磁場和SAR值都是需要測量的物理量。

        人體電磁生物效應(yīng)一直是國內(nèi)外的研究熱點(diǎn)。冷戰(zhàn)時(shí)期,美蘇科學(xué)家合作研究大鼠和家兔暴露在2 375 MHz等3種不同照射水平(10 μW/cm2、50 μW/cm2和500 μW/cm2)電磁波輻射條件下的生物腦電活動(dòng)變化情況。研究顯示,10 μW/cm2和500 μW/cm2的照射水平會(huì)刺激生物大腦活動(dòng),而在500 μW/cm2照射水平下大鼠和家兔活動(dòng)能力下降[2]。FREEDMAN等[3]研究生物分子在電磁波條件下發(fā)生相干振蕩現(xiàn)象或者可能導(dǎo)致穩(wěn)定的干擾,論證低水平無熱微波生物效應(yīng)存在的可能性。高艷[4]研究35 GHz、平均功率為5~12 W的毫米波照射對(duì)小鼠背側(cè)皮膚的損傷效應(yīng),發(fā)現(xiàn)毫米波持續(xù)輻照對(duì)小鼠皮膚的損傷顯著。

        上述傳統(tǒng)試驗(yàn)研究方法存在周期長、成本高、保密性差等缺點(diǎn),而且只能驗(yàn)證某些特殊案例具有局限性。本文著重研究電磁波生物效應(yīng)中的熱效應(yīng),采用FEKO軟件結(jié)合時(shí)域有限差分方法進(jìn)行數(shù)值模擬,計(jì)算電場強(qiáng)度、磁通密度,并仿真不同入射頻率的平面波在人體不同位置的SAR值,定量評(píng)估熱效應(yīng)的大小,為研究人體在大功率船用S波段雷達(dá)電磁波照射下的電磁生物效應(yīng)提供數(shù)值計(jì)算依據(jù)。

        1 仿真模型

        1.1 人體結(jié)構(gòu)

        人體結(jié)構(gòu)主要包括頭部、胸部、腹部、四肢等4個(gè)部位,各部位的材料參數(shù)有所不同。為簡化計(jì)算,模型僅包括上述4部分,每部分使用長方體倒角而成,人體通高為1.7 m。人體模型如圖1所示。

        圖1 人體模型

        1.2 參數(shù)選擇

        電磁波所含能量和強(qiáng)度與其振幅密切相關(guān),物理上把電磁波振幅衰減為原振幅的1/e時(shí)電磁波在生物組織中的傳播距離定義為穿透深度。表1提供了不同頻率的電磁波對(duì)肌肉的穿透深度[5]。本文研究S波段電磁波,其頻率范圍是2.2~ 2.4 GHz,穿透深度約17 mm,故仿真對(duì)比所取探測點(diǎn)深度為0~10 mm,即考察淺層人體組織的電場強(qiáng)度、磁通密度和SAR值。

        表1 典型頻率電磁波對(duì)肌肉的穿透深度

        1.3 材料設(shè)置

        除電磁波頻率外,人體電磁生物效應(yīng)還與人體不同部位生物組織性質(zhì)密切相關(guān),不同人體部位在不同頻率下有不同的電導(dǎo)率和相對(duì)介電常數(shù)。表2列出2.4 GHz下人體不同部位的電導(dǎo)率和相對(duì)介電常數(shù)。

        表2 2.4 GHz下人體不同部位的電導(dǎo)率和相對(duì)介電常數(shù)

        2 數(shù)值模擬算法選擇

        常用的電磁問題數(shù)值求解方法有矩量法、多層快速多極子、有限元法、高頻近似方法、時(shí)域有限差分法等。矩量法不足之處是受限于格林函數(shù),需求解復(fù)雜的z矩陣。有限元方法的缺點(diǎn)是算法速度慢。高頻近似方法不同于全波算法,屬于估算法,精度常常受限。

        時(shí)域有限差分法[6]的本質(zhì)是求解如式(1)和式(2)所示微分形式的麥克斯韋旋度方程組,其利用差分原理將旋度方程組離散成為一組時(shí)域的遞推公式,是一種時(shí)域直接解法,隨著時(shí)間的推進(jìn)可方便地知道電磁場隨時(shí)間的變化過程,在電磁工程各個(gè)方面都得到廣泛應(yīng)用。

        (1)

        (2)

        式(1)和式(2)中:H為磁場強(qiáng)度,A/m;E為電場強(qiáng)度,V/m;D為電通量密度,C/m2;B為磁通密度,Wb/m2;J為電流密度,A/m2;Jm為磁流密度,V/m2。

        各向同性線性媒質(zhì)中的本構(gòu)關(guān)系為

        (3)

        式中:ε為介質(zhì)介電常數(shù),F(xiàn)/m;μ為磁導(dǎo)系數(shù),H/m;σ為電導(dǎo)率,S/m;σm為磁導(dǎo)率,Ω/m。

        使用FEKO軟件結(jié)合FDTD算法對(duì)船舶S波段雷達(dá)典型頻率(2.2~2.4 GHz)電磁波雷達(dá)生物電磁效應(yīng)進(jìn)行研究。仿真可以得到人體表面至10 mm深度的電場強(qiáng)度、磁通密度和SAR值[7]。其中,SAR值為

        (4)

        式中:σ為人體組織的電導(dǎo)率,S/m;ρ為人體組織的質(zhì)量密度,kg/m3;c為人體組織的比熱容;ΔT/Δt為溫度增長率。

        3 人體生物電磁效應(yīng)仿真

        設(shè)定材料參數(shù)、激勵(lì)和邊界條件,將模型離散為三角形網(wǎng)格,求解器選擇FDTD算法,軟件會(huì)在模型周圍自動(dòng)生成FDTD邊界,點(diǎn)擊run進(jìn)行求解計(jì)算。關(guān)鍵步驟如圖2所示,在人體模型的不同部位設(shè)置局部坐標(biāo)系,設(shè)置10 mm探針,仿真可得10 mm深度內(nèi)的電場強(qiáng)度、磁通密度和SAR值。

        圖2 設(shè)置10 mm探針界面

        為區(qū)分人體不同部位,將頭部、胸部、腹部、四肢等4個(gè)不同部位分別命名為NF_HEAD,NF_CHEST,NF_BELLY,NF_LEGARM,仿真可得到如圖3~圖5所示的不同頻率下人體不同部位的電場強(qiáng)度、磁通密度和SAR值。

        圖3 2.2 GHz人體不同部位電場強(qiáng)度、磁通密度和SAR值

        圖4 2.3 GHz人體不同部位電場強(qiáng)度、磁通密度和SAR值

        圖5 2.4 GHz人體不同部位電場強(qiáng)度、磁通密度和SAR值

        4 結(jié)果分析

        因仿真硬件條件有限,所取探針點(diǎn)較少,距離人體表面最近的一個(gè)探針點(diǎn)處于介質(zhì)邊界,軟件計(jì)算判定結(jié)果為人體表面肌膚和空氣邊界的平均結(jié)果,屬于無實(shí)際參考意義的錯(cuò)誤值,應(yīng)將其舍去。將圖3~圖5結(jié)果匯總成表3。

        表3 不同電磁波頻率條件下人體各部位生物效應(yīng)對(duì)比表

        從表3可以看出:在2.2 ~2.4 GHz,10 mm深處電場強(qiáng)度的范圍是6.00 ~ 8.60 V/m,磁通密度范圍是135 ~ 164 nT,SAR值的范圍是10.0~15.0 mW/kg;同一頻率人體各個(gè)不同部位最高電場強(qiáng)度相差2.0 V/m(2.4 GHz時(shí)),最高磁通密度相差24 nT(2.2 GHz時(shí)),最高SAR值相差11.5 mW/kg(2.2 GHz時(shí)),絕對(duì)數(shù)值差別較??;頭部SAR值相對(duì)身體其他部位較大。

        5 結(jié) 論

        采用時(shí)域有限差分法仿真研究船舶雷達(dá)照射下的人體電磁生物效應(yīng),得到結(jié)論如下:

        (1) 整體看來,在同一頻率(2.2~2.4 GHz)電磁波照射下,人體各部位的最大電場強(qiáng)度、最大磁通密度、最大SAR值絕對(duì)數(shù)值差別較小。

        (2) 越靠近表面肌膚,人體各部位的電場強(qiáng)度、磁通密度和SAR值就越大。

        (3) 就人體不同部位而言,手部和腿部的電場強(qiáng)度較大,腹部的磁通密度較大,頭部的SAR值較大。

        (4) 當(dāng)頻率升高時(shí),人體各部位SAR值略有提升,但都不超過表4規(guī)定的電磁場基本限值標(biāo)準(zhǔn)。

        表4 0~10 GHz電磁場基本限值標(biāo)準(zhǔn) W/kg

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