静电放电人体电磁暴露安全评估的数值模拟.pdf
《静电放电人体电磁暴露安全评估的数值模拟.pdf》由会员分享,可在线阅读,更多相关《静电放电人体电磁暴露安全评估的数值模拟.pdf(11页珍藏版)》请在咨信网上搜索。
1、基于电磁剂量学数值计算方法和国际电工委员会(IEC)规定的典型静电放电(ESD)电流波形,将经傅里叶变换后频域中能量最强的一次谐波分量和全部谐波分量分别作为电磁辐射源,仿真分析了位于辐射源不同位置处人体生物组织的电磁效应,并将 COMSOL Multiphysics 软件数值仿真的结果与国际非电离辐射防护委员会(ICNIRP)推荐的公众暴露限值进行对比。结果表明:离辐射源越远感应电场强度(E)、磁场强度(H)、比吸收率(SAR)越小,体内电场线分布越均匀;电场强度进入头部后迅速衰减,脑部对空间电磁场有一定的屏蔽作用;不同位置处人体头部冠状面和矢状面 SAR 峰值和分布几乎相同,矢状面和冠状面
2、SAR 峰值为轴状面的 15.7 倍;不同位置处头部 SAR 峰值均出现在颅骨处,大脑中的 SAR 最小且关于 x 轴和 y 轴成对称分布;多频率暴露条件下,辐射源位于人体右侧面 1 m(位置 A)时全身 SAR 值超过了 ICNIRP 基本限值,而辐射源位于人体右侧面 5 m(位置B)及更远位置时人体全身 SAR 均未超过 ICNIRP 基本限值。总之,离辐射源越远,安全裕度越大,人体需位于辐射源 5 m 以外,以降低暴露风险。此研究结果可为人体 ESD 电磁暴露防护提供数值参考,为 ESD 电磁暴露相关标准制定提供理论依据。关键词:静电放电;频谱分析;COMSOL Multiphysics
3、;电磁辐射;安全评估;ICNIRP中图分类号:X124;R144.1文献标识码:A收稿日期:2022-08-30基金项目:甘肃省教育厅 2022 年度高等学校创新基金项目(2022B-157);天水市 2022 年“成纪之星”人才项目;天水师范学院 2021 年创新基金项目(CXJ2021-08);天水师范学院 2021 年度校级教育教学改革研究项目(PX-122484、PX-122485)。作者简介:宋艳霞(1983),女,2007 年毕业于河西学院计算机科学与技术专业,2010 年毕业于天津师范大学计算机技术与应用专业,讲师。E-mail:yanxia_song0807 随着科学技术的进步
4、,各类通讯、设备及系统向智能化、小型化、集成化、高可靠性方向发展,空间电磁环境日益复杂,电磁能量的范围和强度也逐年增加。人体是对内外电磁辐射都敏感的容积导体,除直接接触外,人体主要通过感应耦合对周围环境的电磁辐射产生物理效应1。暴露于时变电磁场中的人体将在身体组织内部产生感应电场,并伴随有能量的吸收,这些物理量的改变会对人体中枢神经或肌肉等组织造成刺激,引起生物组织的热效应或非热效应,带来健康风险并可能导致健康问题。静电放电(electro-static discharge,ESD)过程可形成高电压、强电场、瞬时大电流、其电流波形的上升时间可小于 1 ns,并伴随有强电磁辐射,形成静电放电电磁
5、脉冲(ESD-EMP)2。静电放电是空间电磁环境效应的重要组成部分,静电放电可能对航天器中的电子设备、火工品、计算机控制系统、电 源 系 统 及 航 天 器 的 结 构 或 材 料 造 成影响3。国内外学者对 ESD 做了大量的研究。鉴于国际 电 工 委 员 会(International Electrotechnical Commission,IEC)仅给出了 ESD 电流的典型波形和相关特征参数,文献4-5提出一些具有物理基础的静电放电电流解析式,并对各类解析式作了优劣对比。文献6探讨了 IEC 标准实验平台的局限性,提出了完善方案。文献7-8研究了静电放电火花产生电磁场的特征及分布规律。
6、在 ESD数值模型建立方面,Wilson 9推导了电偶极子解析式,提出了一种相对简单的 ESD 火花偶极子模型,并将其用于预测辐射场。毕增军等10利用时域有限差分法建立了静电放电火花产生的电磁场数值模型。在 ESD-EMP 危害和防护方面,刘尚合等11研究了 ESD-EMP 对微电子器件作用机理,并提出了相应防护对策,文献12研究了 ESD 脉982 辐射防护第 43 卷第 4 期冲电 流 在 人 体 组 织 中 的 感 应 电 场 分 布 特 点。Neven Simicevic13 使用时域有限差分法对暴露于纳米脉冲环境下的生物材料进行了仿真研究,结果表明暴露在纳米脉冲中的介电样品材料表现为
7、介电谐振器。Li Congsheng 等14应用时域有限差分法根据实际信号计算暴露于电磁脉冲环境下大鼠内部的剂量分布。WANG Qiong 等15使用时域和频域方法计算了超宽带脉冲暴露下人体模型的比能量吸收 SA 和比吸收率 SAR。总之,ESD 特性和作用机理等方面的研究较成熟,但对 ESD-EMP能量作用于生物体所产生的电磁效应和健康影响研究甚少,为有效量化评估 ESD-EMP 对人体健康所造成的威胁,鉴于生物组织的电磁特性通过实验测量的方法(实验电磁剂量学)很难得到,本文基于电磁剂量学数值计算方法,使用有限元多物理场仿真软件 COMSOL Multiphysics 求解麦克斯韦方程,根据
8、 IEC 规定的典型静电放电电流波形,将经傅里叶变换后频域中的谐波分量作为电磁辐射源,仿真分析了不同位置人体生物组织的电磁效应,并将数值计算物理量比吸收率 SAR、电场强度 E、磁场强度 H 与国际非电离辐射防护委员 会(International Commission on Non-Ionizing Radiation Protection,ICNIRP)推荐的公众暴露限值进行对比,以评估人体 ESD 电磁暴露安全。研究结果为制定 ESD 电磁暴露标准提供一定的参考价值,有助于消除公众对 ESD 电磁暴露安全性的担忧。1ESD 电流频谱分析及辐射源确定1.1ESD 曲线拟合国 际 电 工 委
9、 员 会(IEC)颁 布 的 静 电 放 电(ESD)测试标准 IEC 61000-4-2 规定了电压等级为 4 kV 时的典型 ESD 电流波形和 ESD 脉冲电流表达式16:I(t)=I1k1(t1)n1+(t1)n e(-t2)+I2k2(t3)n1+(t3)n e(-t4)(1)式中,k1=e-12n21()1/n();k2=e-34n43()1/n()。根据IEC 标准,特征参数 1=1.1 ns,2=2 ns,3=12 ns,4=37 ns;I1=16.6 A;I2=9.3 A;n=1.8。图 1 为经 MATLAB 拟合得到的 4 kV 静电放电脉冲电流时域波形。图 1典型静电放
10、电电流波形Fig.1Discharge current waveform of ESD1.2ESD 频谱分析信号的频域特性反映了信号的内在本质,即频域分析能更深刻、全面、方便地表示信号或系统的特性。通过傅里叶分析法17,一个信号可以表示为不同频率正弦分量的加权和,故可将 ESD 脉冲波源表示为不同频率正弦波的叠加18。设 ESD 脉冲信号为 I(t),其周期为 T0,频率为 f0,则角频率为 0=2f0=2/T0,则此信号的傅里叶级数的三角函数展开式为:I(t)=a0+a1cos0t+a2cos20t+b1sin0t+b2sin20t+=a0+n=1(ancosn0t+bnsinn0t)(2)
11、式中,n 为傅里叶级数谐波阶次,取值为整数(即n=1,2,3),n 越大,曲线拟合度越高,a0、an和bn为傅里叶系数,其值为:a0=1T0T00I(t)dt(3)an=2T0T00I(t)cosn0tdt,n=1,2,3,(4)bn=2T0T00I(t)sinn0tdt,n=1,2,3,(5)由图 1 可知,T0=100 ns,0=2f0=2T0=6.28 107 rad/s。取 n=15,分别获取各次谐波的092宋艳霞:静电放电人体电磁暴露安全评估的数值模拟 傅里叶系数。基于上述理论对时域电流波形进行离散傅里叶变换(FFT),在 MATLAB 中编程求出各谐波分量的幅值和相位得到对应的频域
12、特性,其幅频特性如图 2 所示。图 2静电放电电流波形频谱图Fig.2Analytical spectrum of ESD统计频谱图中直流、各谐波分量的具体频谱特性参数,列于表 1。从表 1 可知,直流分量电流最大为 5.320 7 A,属于注入式电流成分,在此不做考虑。本文选取除直流分量外的其他谐波分量作为辐射源,研究静电放电产生的 ESD-EMP 对人体各组织的感应电场、磁场和能量吸收。2原理与模型 2.1原理 处于时变电磁场中人体内部电磁量 E、H 和SAR,很难甚至无法通过直接测量的方式获得,本文使用多物理场仿真软件 COMSOL Multiphysics,通过有限元法计算处于 ESD
13、-EMP 辐射源作用下不同位置人体各组织产生的感应场分布。谐波分表 1频谱特性参数表Tab.1Spectral characteristic parameter table直流谐波分量 1谐波分量 2谐波分量 3谐波分量 4谐波分量 5谐波分量 6谐波分量 7谐波分量 8谐波分量 9谐波分量 10f(MHz)0102030405060708090100i(A)5.320 73.234 41.003 10.493 30.5180.574 90.594 30.587 30.568 80.537 20.505 7(rad)0-1.535 8-1.303 31.347 80.977 80.9621.0
14、48 71.160 61.275 61.386 91.492 4量波长与人体尺寸相近,电场和磁场效应占主导,故使用 COMSOL Multiphysics“RF 模块”中的“电磁波,频域”物理场接口求解。2.1.1理论基础 COMSOL Multiphysics 使用“RF 模块”求解电磁波问题的实质是使用有限元方法在模拟域内求解麦克斯韦(Maxwell)方程组。设电磁场随时间成正弦变化,且材料的所有属性相对于场强呈线性变化,则“电磁波、频域”接口所求解的 Maxwell方程组,即时谐电磁波方程19可表示为:-1r(E)-k20r-j0()E=0(6)式中,E 为电场强度,V/m;r为相对磁导
15、率;0为真空介电常数,F/m;r为相对介电常数;j 为电流密度,A/m2;为电导率,S/m;为角频率,rad/s;k0=j00为波传播系数。此接口基于式(6)在整个模拟域内求解 E,其他物理量可通过 E 推导得到。2.1.2边界条件的设置为使生成的电磁波离开模型域时在交界面上不会产生非物理反射,在空气球体外部应用完美匹配层(perfectly matched layer,PML)截断无限大自由空间,吸收所有入射波。考虑到不关心天线内部分布,为有效模拟有损边界,偶极臂表面通过具有一定电导率的“阻抗边界条件”建模,这样既可合理准确地模拟天线臂吸收一部分能量,又可减少运算量。阻抗边界条件方程19如下
16、所示:0r0r-jn H+E-(nE)n=(nEs)n-Es(7)式中,n 为矢量,表示分界面外法向方向;Es为源电场;H 为 磁 场 强 度,A/m;0为 真 空 磁 导 率,H/m。2.2电磁辐射暴露国际公认物理量 SAR人体组织为有耗介质,在电磁场作用下,人体内将产生感应电流,吸收和损耗电场能量。在电磁剂量学中,目前国际公认的常用剂量学量为比吸收率(specific absorption rate,SAR),即单位质量的生物组织所吸收的电磁场功率20。用 SAR 来表征人体所吸收的射频能量,其计算表达式,如式(8)所示:192 辐射防护第 43 卷第 4 期SAR=|E|2(8)式中,E
17、 为生物组织内部电场强度(均方根 RMS值),V/m;为组织电导率,S/m;为组织质量密度,kg/m3。2.3人体各组织的介电特性由于生物肌体组织是色散介质,反映介质特性的本构关系的参数是频率的函数,随频率的变化而变化。为了宏观描述生物体组织的电学特征,根据生物体组织呈现的电阻抗特性21,1996年 Gabriel 等人22提出用 4 阶 Cole-Cole 模型来描述和计算生物组织的介电特性。该模型的计算表达式,如式(9)所示:()=+4n=1n1+(jn)(1-n)+j0(9)式中,()为复介电常数;为频率接近无穷时的介电常数;为静态电导率;n为第 n 个色散区域对应的弛豫时间常数;n为第
18、 n 个色散区域的介电常数相比于静态介电常数的增量;n为分布参数。Gabriel 等人23-25也详细阐述了生物组织介电特性理论、曲线拟合、模型参数的选取。根据所选取的静电放电辐射源频率,表 2 列出了 10 100 MHz 生物组织对应的介电特性:电导率 和介电常数 r。人体组织头皮的介电特性取湿皮肤;颅骨的介电特性取骨皮质;大脑的介电特性取脑灰质、脑白质和脑脊液平均值;躯干的介电特性取肌肉、骨皮质、脂肪平均值。头皮、颅骨、大脑、躯干的质量密度分别为 1 125 kg/m3、1 850 kg/m3、1 038 kg/m3、1 318 kg/m3。表 2不同频率下人体介电特性 26-28Tab
19、.2Dielectric parameters of human body at different frequencies 26-28 组织10 MHz20 MHz30 MHz40 MHz50 MHz60 MHz70 MHz80 MHz90 MHz100 MHzrrrrrrrrrr头皮0.37221.810.41136.900.43108.330.4593.730.4784.760.4878.660.4974.210.5170.820.5168.140.5265.97颅骨 0.04336.770.04924.920.0520.940.05518.950.05717.740.05916.940
20、.0616.350.06215.910.06315.560.064 15.28大脑0.82201.330.86144.990.89119.600.92105.310.9396.120.9589.630.9684.760.9880.930.9977.841.0075.28躯干0.2373.760.2448.420.24840.290.25336.280.25733.890.2632.300.26331.170.26530.310.26729.650.269 29.112.4计算模型2.4.1人体模型参照人体工程学图解:设计中的人体因素人体关键工程尺寸,以我国成年男子平均身高建立具有工程可操作性的
21、人体几何模型。人体几何模型由人头和躯干两个部分构成。其中,人头模型分别由头皮(R1:0.120 m)、颅骨(R2:0.085 m)和大脑(R3:0.080 m)三层球体模型构成,人体躯干构建为一整体结构。对人体几何模型添加表 2所示的介电特性参数获取人体电磁模型。为评估人体位于辐射源近场、远场及分界面处所吸收的能量和物理量分布,通过 COMSOL 参数化扫描功能评估辐射源分别位于人体右侧面 1 m(A 位置)、5 m(B 位置)、10 m(C 位置)三种不同位置感应场分布。2.4.2电磁辐射源等效ESD 电磁场算法中比较著名的解析模型有导体模型、球电极模型和偶极子模型。任何暴露于电磁场的金属导
22、体均可认为是天线,在一个无限大导电接地板上进行非接触式静电放电(空气放电)产生的放电火花,可看作是一个电小、时变、线性的 偶 极 子,在 放 电 间 隙 内 电 流 均 匀 分 布8。ESD 电磁辐射源可等效为偶极子天线模型29,一次谐波工作频率 10 MHz,在 COMSOL Multiphysics软件“RF 模块”建立天线臂长 5 m,天线臂半径0.02 m,天线臂沿 z 轴放置,两臂间隙 0.02 m,从金属导体的中点处馈电的偶极子天线和人体模型。其中人体模型和辐射源模型中心点的 z 坐标均为 0。根据谐波分量,分别设置 ESD 激励源及仿真模型如图 3 所示。对模型进行网格剖分,PM
23、L 层使用 5 层结构化扫掠网格剖分,以便能吸收足够的场,其余区域使用稳定性、自适应性和网格质量较好的自由四面体网格对模型进行剖分。剖分后离散单元数共101 948,如图 4 所示。此模型需使用 8 G 及以上内存的计算机仿真。292宋艳霞:静电放电人体电磁暴露安全评估的数值模拟 图 3仿真模型(位置 A)Fig.3Simulation model(position A)图 4有限元网格剖分图Fig.4Scatter diagram of FEM3人体电磁暴露安全评估当生物体暴露于射频电磁场时,除一部分能量会被身体反射外,一部分能量会被吸收。这导致了体内电磁场的复杂模式,吸收和发射能量在很大程
24、度上取决于电磁场的特性及生物体的物理性质和外形。射频电磁场影响人体的主要因素是电场。人体内的产生的感应电场将以不同的方式对人体健康产生潜在的影响。用数值方法求解偏导数时,电场分量、磁场分量的值可能存在较大的误 差,因 此,在 本 研 究 中,比 较 电 场 强 度 模(normE)、磁场强度模(normH)值,在 COMSOL 中直接通过数值模拟便可得到相同的值。3.1人体感应电场结果分析为显示人体中感应电场的分布情况,分别从体、切面(冠状面)流线图两个视域对不同位置人体感应电场进行剖析。为了区分亮区和阴影区,将人体的电场模可视化,通过调整颜色范围,突出显示各区域间的差异。从图 5 可以得出,
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 静电 放电 人体 电磁 暴露 安全 评估 数值 模拟
1、咨信平台为文档C2C交易模式,即用户上传的文档直接被用户下载,收益归上传人(含作者)所有;本站仅是提供信息存储空间和展示预览,仅对用户上传内容的表现方式做保护处理,对上载内容不做任何修改或编辑。所展示的作品文档包括内容和图片全部来源于网络用户和作者上传投稿,我们不确定上传用户享有完全著作权,根据《信息网络传播权保护条例》,如果侵犯了您的版权、权益或隐私,请联系我们,核实后会尽快下架及时删除,并可随时和客服了解处理情况,尊重保护知识产权我们共同努力。
2、文档的总页数、文档格式和文档大小以系统显示为准(内容中显示的页数不一定正确),网站客服只以系统显示的页数、文件格式、文档大小作为仲裁依据,平台无法对文档的真实性、完整性、权威性、准确性、专业性及其观点立场做任何保证或承诺,下载前须认真查看,确认无误后再购买,务必慎重购买;若有违法违纪将进行移交司法处理,若涉侵权平台将进行基本处罚并下架。
3、本站所有内容均由用户上传,付费前请自行鉴别,如您付费,意味着您已接受本站规则且自行承担风险,本站不进行额外附加服务,虚拟产品一经售出概不退款(未进行购买下载可退充值款),文档一经付费(服务费)、不意味着购买了该文档的版权,仅供个人/单位学习、研究之用,不得用于商业用途,未经授权,严禁复制、发行、汇编、翻译或者网络传播等,侵权必究。
4、如你看到网页展示的文档有www.zixin.com.cn水印,是因预览和防盗链等技术需要对页面进行转换压缩成图而已,我们并不对上传的文档进行任何编辑或修改,文档下载后都不会有水印标识(原文档上传前个别存留的除外),下载后原文更清晰;试题试卷类文档,如果标题没有明确说明有答案则都视为没有答案,请知晓;PPT和DOC文档可被视为“模板”,允许上传人保留章节、目录结构的情况下删减部份的内容;PDF文档不管是原文档转换或图片扫描而得,本站不作要求视为允许,下载前自行私信或留言给上传者【自信****多点】。
5、本文档所展示的图片、画像、字体、音乐的版权可能需版权方额外授权,请谨慎使用;网站提供的党政主题相关内容(国旗、国徽、党徽--等)目的在于配合国家政策宣传,仅限个人学习分享使用,禁止用于任何广告和商用目的。
6、文档遇到问题,请及时私信或留言给本站上传会员【自信****多点】,需本站解决可联系【 微信客服】、【 QQ客服】,若有其他问题请点击或扫码反馈【 服务填表】;文档侵犯商业秘密、侵犯著作权、侵犯人身权等,请点击“【 版权申诉】”(推荐),意见反馈和侵权处理邮箱:1219186828@qq.com;也可以拔打客服电话:4008-655-100;投诉/维权电话:4009-655-100。