车载手机无线充电模块对人体电磁辐射安全性的仿真评估.pdf

收稿日期:2 0 2 3 0 9 0 1;修回日期:2 0 2 3 1 0 3 0基金项目:重庆市技术创新与应用发展专项基金资助项目(C S T B 2 0 2 2 T I A D-S T X 0 0 0 1)通信作者:黎小娇(1 9 8 9-),女,重庆垫江人,工程师,硕士,主要从事汽车电磁兼容仿真研究。E-m a i l:l i x i a o j i a o c a e r i.c o m.c n车载手机无线充电模块对人体电磁辐射安全性的仿真评估毛 嵩,黎小娇,曾 霞,高阳春,雷剑梅,易泓伶(智能汽车电子信息安全评价技术重庆市工业和信息化重点实验室;重庆市汽车电磁兼容性能开发工程技术研究中心:重庆4 0 1 1 2 2)摘 要:采用电磁仿真软件F E K O建立人体模型、手机无线充电模块以及汽车车身的联合仿真模型,运用矩量法(M o M),计算手机无线充电模块在工作频率为1 2 7.8 2 k H z时,人体内部感应电场强度、比吸收率(s p e c i f i c a b s o r p t i o n r a t e,S A R)以及外部磁场分布,并与相关标准限值进行对比,分析主驾位置人体模型的电磁辐射安全性。研究表明:汽车内手机无线充电模块在搜寻手机的过程中,所产生的内部电场和S A R剂量均未超过I C N I R P和I E E E规定的水平,驾驶员位置的磁场强度也未超过较为严格的国标G B 8 7 0 2-2 0 1 4限值。通过仿真分析预测了人体在车内的辐射剂量水平,能够帮助人们更好地了解所处的电磁场环境对人体健康的影响。关键词:电磁暴露;辐射剂量水平;手机无线充电模块;S A R;仿真分析中图分类号:O 4 4 1;U 4 6 3文献标志码:A D O I:1 0.1 2 0 6 1/j.i s s n.2 0 9 5 6 2 2 3.2 0 2 4.0 1 0 5 0 5E l e c t r o m a g n e t i c R a d i a t i o n S i m u l a t i o n o f W i r e l e s s C h a r g i n g M o d u l e i n C a r s o n H u m a n B o d y MAO S o n g L I X i a o j i a o Z E NG X i a GAO Y a n g c h u n L E I J i a n m e i Y I H o n g l i n g I n t e l l i g e n t V e h i c l e E l e c t r o n i c I n f o r m a t i o n S e c u r i t y E v a l u a t i o n T e c h n o l o g y C h o n g q i n g K e y L a b o r a t o r y o f I n d u s t r y a n d I n f o r m a t i o n T e c h n o l o g y C h o n g q i n g E n g i n e e r i n g R e s e a r c h C e n t e r f o r A u t o m o t i v e EMC D e v e l o p m e n t C h o n g q i n g 4 0 1 1 2 2 C h i n a A b s t r a c t I n t h i s p a p e r a j o i n t s i m u l a t i o n m o d e l o f t h e M a n n e q u i n m o b i l e p h o n e w i r e l e s s c h a r g i n g m o d u l e a n d c a r b o d y i s e s t a b l i s h e d b y u s i n g t h e e l e c t r o m a g n e t i c s i m u l a t i o n s o f t w a r e F E K O W h e n t h e w i r e l e s s c h a r g i n g m o d u l e o f t h e m o b i l e p h o n e o p e r a t e s a t 1 2 7 8 2 k H z t h e m e t h o d o f m o m e n t s M o M i s u s e d t o c a l c u l a t e t h e i n d u c e d e l e c t r i c f i e l d s t r e n g t h s p e c i f i c a b s o r p t i o n r a t e S A R a n d e x t e r n a l m a g n e t i c f i e l d d i s t r i b u t i o n i n s i d e t h e M a n n e q u i n T h e s t u d y i n d i c a t e s t h a t t h e i n t e r n a l e l e c t r i c f i e l d s t r e n g t h a n d S A R d o s e r a t e g e n e r a t e d b y t h e w i r e l e s s c h a r g i n g m o d u l e f o r m o b i l e p h o n e s i n c a r s d u r i n g t h e s e a r c h p r o c e s s d o n o t e x c e e d t h e l e v e l s s p e c i f i e d b y I C N I R P a n d I E E E a n d t h e m a g n e t i c f i e l d s t r e n g t h a t t h e d r i v e r s p o s i t i o n d o e s n o t e x c e e d t h e s t r i c t n a t i o n a l s t a n d a r d G B 8 7 0 2-2 0 1 4 l i m i t s T h e r a d i a t i o n e x p o s u r e l e v e l o f t h e M a n n e q u i n i n s i d e t h e c a r p r e d i c t e d b y s i m u l a t i o n a n a l y s i s c a n h e l p p e o p l e b e t t e r u n d e r s t a n d t h e i m p a c t o f t h e e l e c t r i c f i e l d e n v i r o n m e n t o n h u m a n h e a l t h K e y w o r d s e l e c t r o m a g n e t i c e x p o s u r e r a d i a t i o n e x p o s u r e l e v e l m o b i l e w i r e l e s s c h a r g i n g m o d u l e s p e c i f i c a b s o r p t i o n r a t e S A R s i m u l a t i o n a n a l y s i s1-505010第1 5卷 第1期2 0 2 4年2月现 代 应 用 物 理MO D E R N A P P L I E D P HY S I C SV o l.1 5,N o.1F e b.2 0 2 4 随着新能源汽车智能化的快速发展,汽车上电子电器集成度越来越高,车辆内部的电磁环境越来越复杂。车内电磁辐射是否对人体头部、心脏及生殖器官等重要部位产生不良影响,也是人们担心的问题。如何保障车辆电磁安全和人员电磁防护安全,是行业亟需解决的问题。研究表明,低频电磁场环境对人体的神经系统有 许 多 公 认 的 急 性 影 响,包 括 外 周 神 经 刺 激(p e r i p h e r a l n e r v e s t i m u l a t i o n,P N S)和中枢神经刺激(c e n t r a l n e r v o u s s y s t e m,C N S),会直接刺激神经和肌肉组织及诱导视网膜光幻视1。另外有文献表明,人体长期暴露在低频电磁场环境中,可能会增加阿尔茨海默症、发育和生殖、儿童白血病的患病风险2。为此,国内外各机构也制定了相应的限值指标及测试方法用于测试车内人员位置的电磁辐射,帮助消费者了解人体在车内的电磁辐射水平。对于人体内部所受的影响,虽然有相关限值要求,但无法采用现有方法测试相关辐射剂量水平,因此,通过仿真的方法进行人体的电磁暴露辐射剂量或参考水平预测是一种切实可行的方法。目前,采用数值模拟方法进行人体的电磁暴露水平模拟已有较多的研究成果,文献1 研究了较低频率的高压工频电磁场对人体头部的影响;文献37 对电动汽车、无线传能机车、大功率无接触网供电城轨车辆等低频无线充电功能对人体的电磁安全进行评估;文献8 研究了较高频率的地铁列车无线通信天线对司机的头部、躯干和四肢等组织的电磁辐射剂量;文献9 为更高频率的手机电磁暴露对人体视觉组织的电磁辐射安全评估提供科学依据;文献1 0 1 1 仿真评估心脏起搏器、植入式医疗设备暴露于低频磁场的安全性,通过现场测试进一步验证了仿真的正确性。文献1 2 建立了一种包括肌肉、颅骨、脑脊液和大脑在内的高分辨率解剖头部模型,然后仿真评估了该模型对5 G手机信号的特定吸收率预测的适用性,文献1 3 基于有限元法建立了更合理的人类头部模型,在手机辐射环境下进行电磁和热联合模拟,验证了该方法的准确性。这些研究均表明,数值模拟方法在人体辐射剂量评估过程中起到较大的作用。本文主要利用电磁仿真软件F E KO,模拟汽车内手机无线充电设备工作时,驾驶员位置的电磁场分布,以及人体内部电场、比吸收率(s p e c i f i c a b s o r p t i o n r a t e,S A R)等辐射参数,后将仿真得到的数据与国际/国内的主流标准中的相关限值进行对比,分析人体处于车内复杂电磁环境中的安全性,为汽车内电磁辐射评估提供参考。1原理分析及相关标准随 着计算机辅助(c o m p u t e r a i d e d e n g i n e e r i n g,C A E)技术的发展,通 过 仿 真 进 行 定量化分析也日益受到重视,在工程应用中也起到了非常重要的 作用。电磁问 题的 求 解 是 基 于 一定的激励 源 和 边 界 条 件 下 对M a x w e l l方 程 进 行求解,建立逼近实际的数学模型,采用相应的数值计算方法,计算出待求数学模型的离散解,在场量(含位函数)离散解的 基础上再经 过后处理求出任一点的电场强度和磁场强度,任意区域的能量、损耗、各类电磁参数和性能指标等1 4。由于人体为不均匀的有耗介质,暴露于电磁环境中时,设备在接收或发射信号过程中产生的电磁能量会被人体吸收,当设备功率水平足够高时,产生的电磁场会对人体健康产生不利影响。这些影响包括组织加热和电刺激。其中,组织加热为电磁辐射使生物体温度升高,称为热效应;电刺激是改变生物体生理变化的形式,称为非热效应。在频率低于约1 0 0 k H z(但对于脉冲场可能高达5MH z)时,电刺激是主要效应;在频率为1 0 0 k H z 3 0 0 GH z时主要 效应为组织 加热;在1 0 0 k H z 5 H z的过渡区域中,电刺激和加热都可能发生,应用两个限制中的更严格的限值1 5。电磁波在人体中的辐射与人体的大小、形状、组织结构及介电 特性有很大 关系。电 磁 暴 露 对 人体健康的影响,主要用S AR来评估。因此,需要采用合适的数值算法计算人体内部电磁场分布、S AR等辐射水平。1.1矩量法本 文 利 用 矩 量 法(m e t h o d o f m o m e n t s,M o M)为基础算法进行数值计算,实现对人体模型和空间的电磁场频域分析。M o M法以电磁场积分方程为基础 选择带有未 知数的基函 数或 加权函数,对算子方程两边求内积得到矩阵形式,用直接法或迭代法求解这一矩阵方程,从而获得等效流或场的未知数,然后代入积分方程求解任一点的电磁场1 6。M o M法的求解,基于等效原理,将“场”的求解问题转化为“源”求解问题,目标体对空间电磁场的影响可等效 为目标表面 或目标体内 的等 效源产生的散射场对空间总场分布的影响,求解问2-505010第1 5卷现 代 应 用 物 理题就变 成 对 目 标 体 表 面 或 内 部 等 效 源 的 求 解。M o M法可将复杂物体产生的散射场等效为其边界上的电流或磁流,作为未知量进行求解,但未知量的互耦使矩阵较为复杂,计算复杂度大,计算速度慢。以M o M算法为基础发展而来的加速算法ML FMM,提高了计 算速度,大 幅降低了内存消耗,对 处 理 电 大 尺 寸 目 标 的 计 算 有 较 大 优势。利用M o M或ML FMM算法进行计算时,仅存在于目标体 表面的面 等效源即可 等效替代 整个目标体的作用,即可据此计算出各个电磁场性能指标1 7。1.2比吸收率S A R人体对于 电 磁 辐 射 的 吸 收 可 通 过 单 位 质 量组织吸收或耗散的电磁能量来衡量,即比吸收率S AR。在实 际 计 算 与 测 量 时,S AR无 法 直 接 测试,通常是采用测量电场强度来间渐获取,人体组织空间中某点的局部比吸收率S AR可用S A R表示为S AR=E2(1)其中:E为人体组织中P点的电场强度,Vm-1;为人体 组 织 的 电 导 率,Sm-1;为 人 体 密 度,k gm-3。S AR通 常 是 可 以 通 过 生 物 实 验 得 到。与局部S AR不同,电磁辐射相 关标准中的S AR限值通 常 是 指 最 大 空 间 平 均S AR,通 常 指 对 于1 0 g单位质量的组织吸收或耗散的电磁能量。仿真中 主 要 辐 射 源 是 手 机 无 线 充 电 模 块。无线充电模块内部线圈几何结构、辐射源位置、车体结构、人体模型形状、计算方法、仿真软件都会对S AR值计算产生影响。1.3测试及限值标准国际/国内组织对人体暴露的电磁辐射环境制定了相关电磁辐射安全标准,安全标准的限制参数包括:人体内部电场强度、S AR,或者人体外部电场 强 度、磁 场 强 度、磁 感 应 强 度、功 率 密 度等,旨在确保人体暴露于电磁环境中其内部计量参考限值和暴露参考水平不会超过限值,从而不会对身体产生不利的生物效应。目前对于人体暴露于电磁辐射环境的剂量参考限值和暴露参考水平,主要标准分为两种,分别由国际非电离防护委员会(I n t e r n a t i o n a l C o mm i s s i o n o n N o n-I o n i z i n g R a d i a t i o n P r o t e c t i o n,I C N I R P)和美国电气与电子工程师协会(I n s t i t u t e o f E l e c t r i c a l a n d E l e c t r o n i c s E n g i n e e r s,I E E E)制定1。中国、日本等国家及欧盟使用I C N I R P标准,我国考虑实际环境也制定了相应的限值标准,推出了测试方法和 评 分 方 法。I C N I R P-2 0 1 0,I C N I R P-2 0 2 0,I E E E C 9 5.1-2 0 1 9,G B 8 7 0 2-2 0 1 4只规定了限值,而J A S O T P 1 3 0 0 2,G B/T 3 7 1 3 0-2 0 1 8,C-G C A P,C-AH I-EMR标准只涉及测试方法或评价方法2,1 82 1。I C N I R P制定了1 H z 1 0 0 MH z频段内部电场Ei、外部电场E、磁场H和磁感应强度B的均方根值,以及1 0 0 k H z 3 0 0 GH z 频段内的S A R、内部感应电场Ei n d、外部入射电场Ei n c、入射磁场Hi n c和入射功率Si n c的限值,该限值适用于时域测量;I E E E C 9 5.1-2 0 1 9规定了03 0 0 GH z频率范围的内部电场Ei、S A R、外部电场E、磁场H、磁感应强度B、功率密度S E和S H的限值,适用于时域测量。日本制定了1 0 H z 4 0 0 k H z频率范围内磁 场 的 时 域 和 频 域 测 量 方 法,限 值 参 照 标 准I C N I R P-2 0 1 0和I C N I R P-2 0 2 0的规定。我国考虑实际环境也制定了相应的限值标准,推出了测试方法和评分方法,其中,G B 8 7 0 2-2 0 1 4标准规定了1 H z 3 0 0 GH z频段内的电场强度E、磁场强度H、磁感应强度B和等效平面波功率密度Se q的限值,适用于频域测量;G B/T 3 7 1 3 0-2 0 1 8标准制定了1 0 H z 4 0 0 k H z频段内,汽车静止状态、驾驶状态和充电状态3个工况下的磁场的时域和频域测量方法,限 值 参 照 标 准I C N I R P-2 0 1 0、I C N I R P-2 0 2 0和G B 8 7 0 2-2 0 1 4;中国绿色汽车评估项目C-G C A P制定了1 0 H z 4 0 0 k H z频段内汽车驾驶状态和充电状态磁场的测量方法和评分方法,限值参照G B/T 3 7 1 3 0-2 0 1 8;中国汽车健康指数 汽车电磁辐射测试与评价标准C-AH I-EMR制定了1 0 H z3 GH z频段范围内汽车运行工况和通信工况的电磁辐射测量方法和评分方法,1 0 H z 3 0 MH z频段测量磁场H,而3 0 MH z 3 GH z频段测量电场E,限值依据标准G B 8 7 0 2-2 0 1 4、I C N I R P-1 9 9 8和I C N I R P-2 0 1 0。无线充电模块工作频率为1 2 7.8 2 k H z(通过测试得到)时,各限值标准对公众的辐射暴露限值要求如表1所列。由表1可知,工作频率为1 2 7.8 2 k H z时,对于外部电场和磁场测试,与I C N I R P和I E E E相比,G B 8 7 0 2-2 0 1 4的限值更严格。因此本文无线充电模块低频磁场的测试采用G B 8 7 0 2-2 0 1 4的限值标准。3-505010 毛 嵩 等:车载手机无线充电模块对人体电磁辐射安全性的仿真评估第1期表1无线充电模块工作频率为1 2 7.8 2 k H z时,各限值标准对公众的电磁辐射暴露限值要求T a b.1 C o m p a r i s o n o f e l e c t r o m a g n e t i c r a d i a t i o n e x p o s u r e l i m i t s o f d i f f e r e n t i n s t i t u t i o n s t o t h e g e n e r a l p u b l i c a t 1 2 7.8 2 k H zS t a n d a r dI n t e r n a l e l e c t r i c i n t e n s i t y Ei/(Vm-1)Wh o l e b o d y a v e r a g eS A R/(Wk g-1)E x t e r n a l e l e c t r i c i n t e n s i t y E/(Vm-1)E x t e r n a l m a g n e t i c f i e l d H/(Am-1)E x t e r n a l m a g n e t i c i n d u c t i o n B/TE x t e r n a l p o w e r d e n s i t y S/(Wm-2)I C N I R P-2 0 1 01.3 51 0-4f=1 7.2 6-8 32 12 7-I C N I R P-2 0 2 01.3 51 0-4f=1 7.2 6W h o l e b o d y a v e r a g e:0.0 8;P a r t(h e a d a n d t r u n k):2;P a r t(t r u n k):4W h o l e b o d y a v e r a g e:3 0 0/fM 0.7=1 2 6 6.2;p a r t 6 7 1/fM 0.7=2 8 3 2W h o l e b o d y a v e r a g e:2.2/fM=1 7.2;p a r t:4.9/fM=3 8.3-I E E E C 9 5.1-2 0 1 9(n o n-t h e r m a l e f f e c t)E0(f/fe)=2 6.7 5-Wh o l e b o d y a v e r a g e:6 1 4P a r t(h e a d a n d t r u n k):1 6 3P a r t(t r u n k):9 0 0P a r t(h e a d a n d t r u n k):2 0 5P a r t(t r u n k):1 1 3 0-I E E E C 9 5.1-2 0 1 9(h e a t e f f e c t)-W h o l e b o d y a v e r a g e:0.0 8;P a r t(h e a d a n d t r u n k):2P a r t(t r u n k):4Wh o l e b o d y a v e r a g e:6 1 4P a r t:1 3 7 3W h o l e b o d y a v e r a g e:1 6.3/fM=1 2 7.5 P a r t:3 6.4/fM=2 8 4.8-Wh o l e b o d y a v e r a g e:SE=1 0 0 0,SH=1 0 0 0 0 0/fM 2=6.1 2 1 06;p a r t:SE=5 0 0 0,SH=5 0 0 0 0 0/fM 2=3 0.6 1 06G B 8 7 0 2-2 0 1 4-4 00.10.1 2E q u i v a l e n t p l a n e w a v e p o w e r d e n s i t y S e q:4N o t e:E0=0.7 0 1,fe=3 3 5 0,fM=0.1 2 7 8 2.2手机无线充电模块仿真2.1无线充电模块模型根据无线充电模块实物和供应商所提供的材料参数建立的手机无线充电模块模型如图1所示。手机无线充电模块包含3个线圈,中间线圈1 2匝,两侧两个线圈1 1匝,线圈金属丝直径为1 mm,线圈电流均为0.5 A。磁芯相对磁导率为3 3 0 0,P C B介质基板相对介电常数为4.2,损耗角正切为0.0 2。图1手机无线充电模块模型F i g.1 S i m u l a t i o n m o d e l o f m o b i l e w i r e l e s s c h a r g i n g m o d u l e 没有手机在无线充电线圈工作范围内时,无线充电模块处于搜寻状态,3个线圈轮流工作;给手机充电时,靠近手机的线圈处于工作状态。因此,无线充电模块始终只有一个线圈处于工作状态,仿真时分析3个线圈轮流工作的情况。2.2无线充电模块低频磁场测试无线充电模块磁场测试布置如图2所示。将无线充电模块放置在距离地面8 6 0 mm的位置,采用专用的磁场测试探头,测试其扫描时周围的磁场分布。以手机无线充电模块中心正下方8 6 0 mm处为原 点 建 立 坐 标 系,测 试 点 的 坐 标 分 别 为P1(0,0,9 4 8 mm),P2(1 0 7 mm,0,9 2 5 mm),P3(5 4 2 mm,0,9 2 5 mm),P4(1 0 4 2 mm,0,9 2 5 mm),P5(0,0,1 0 8 3 mm),P6(0,0,1 3 8 3 mm)。(a)T e s t i n g l a y o u t4-505010第1 5卷现 代 应 用 物 理(b)T e s t i n g l o c a t i o n图2无线充电模块磁场测试布置F i g.2 M a g n e t i c f i e l d t e s t i n g l a y o u t o f w i r e l e s s c h a r g i n g m o d u l e 无线充电模块实际工作频率为1 2 7.8 k H z时,P1位置磁场测试结果如图3所示。由图3可见,P1(模 块 正 上 方 贴 近 模 块 位 置)的 磁 感 应 强 度5.2 6 T,大于G B 8 7 0 2-2 0 1 4的限值0.1 T。图3无线充电模块实际工作频率为1 2 7.8 k H z时,P1位置磁场测试结果F i g.3 M a g n e t i c f i e l d t e s t r e s u l t s a t t h e p o s i t i o n P1 w h e n t h e a c t u a l o p e r a t i n g f r e q u e n c y o f t h e w i r e l e s s c h a r g i n g m o d u l e i s 1 2 7.8 2 k H z 2.3无线充电模块磁场仿真根据第2.2节中无线充电模块的模型参数及测试条件建立的无线充电模块磁场仿真模型如图4所示。无线充电模块实际工作频率设为1 2 7.8 2 k H z,驱动电流设为0.5 A,采用双精度的M o M算法,仿真计 算 无 线 充 电 模 块 周 围 的 磁 场 分 布,与 第2.2节中P1-P6位置的磁场强度对比,验证无线充电模块仿真建模的准确性。线圈1工作时,无线充电模 块 正 上 方P1所 在 平 面 的 磁 场 分 布 如图5所示。图4无线充电模块磁场仿真模型F i g.4 M a g n e t i c f i e l d s i m u l a t i o n m o d e l o f w i r e l e s s c h a r g i n g m o d u l e图5线圈1工作时,无线充电模块正上方P1所在平面的磁场分布F i g.5 M a g n e t i c f i e l d d i s t r i b u t i o n o n t h e p l a n e a b o v e t h e w i r e l e s s c h a r g i n g m o d u l e由 图5可 见,磁 场 强 度 最 大 值 约 为3.6 4 Am-1,并随与无线充电模块中心距离的增大而减小。2.4仿真与实测对比由于无线充电模块的3个线圈只有一个处于工作状态,因此计算3个线圈独立工作时,P1-P6仿真与实测的磁场强度如表2所列。由表2可知:磁场强度均随与无线充电模块中心距离增大而减小;在模块正上方位置磁场强度最大值与实测结果具有很好的一致性,其他测试点的对比结果虽然有偏差,但仍可将其安装在整车上进行仿真分析。且均随与无线充电模块中心距离增大而减小。因此,仿真建立的无线充电模块基本满足精度要求,可用来分析其在车内对人体辐射的影响。5-505010 毛 嵩 等:车载手机无线充电模块对人体电磁辐射安全性的仿真评估第1期表2 3个线圈独立工作时,P1P6仿真与实测的磁场强度T a b.2 S i m u l a t e d a n d m e a s u r e d m a g n e t i c f i e l d s t r e n g t h o f P1P6 w h e n t h r e e c o i l s o p e r a t e i n d e p e n d e n t l yO b s e r v a t i o n p o i n tH o f C o i l 1/(Am-1)H o f C o i l 2/(Am-1)H o f C o i l 3/(Am-1)H o f m e a s u r e d/(Am-1)P13.6 44.0 63.3 54.1 7 5(5.2 6 T)P20.7 7 70.3 6 10.4 7 30.2 3 9(0.3 0 1 T)P36.3 71 0-31.9 91 0-33.6 91 0-32.5 51 0-3(3.2 1 41 0-3 T)P40.9 1 81 0-30.2 9 51 0-30.5 5 21 0-30.5 9 71 0-3(0.5 9 71 0-3 T)P51 3 81 0-31 0 81 0-31 1 51 0-39 6.81 0-33(0.1 2 2 T)P68.2 21 0-35.5 51 0-36.4 71 0-35.71 0-3(7.21 0-3 T)3汽车内人体电磁辐射仿真分析3.1人体几何模型由于人体的组织为非磁性,因此人体组织相对磁导率约为1,人体各组织器官的电导率和相对介电常数r并不固定,且随频率变化。由于没有人体介质参数的相关标准,本文使用意大利国家研究委员会(N R C)应用物理研究所发布的相关数据,采用四阶C o l e-C o l e模型来计算2 2。表3为电磁波频率为1 2 7.8 2 k H z时,人体皮肤、血液、肌肉和骨骼的电导率和相对介电常数r。为了简化模型,假设躯干组织是均匀的介质,用这4种组织参数的平均值得到躯干组织的介电参数8,2 2。人体在车内的坐 姿 模 型 如 图6所 示。人 体 模 型 的 身 高 约 为1.7 5 m,全身介质的相对介电常数设置为3 2 7 7.5,电导率设置为0.2 8 Sm-1。表3 1 2 7.8 2 k H z频率时人体中四种组织的电导率和相对介电常数rT a b.3 a n d ro f f o u r t i s s u e p a r a m e t e r s i n h u m a n b o d y a t t h e f r e q u e n c y o f 1 2 7.8 2 k H zO r g a n i z a t i o n n a m er/(Sm-1)S k i n9 0 01.61 0-3B l o o d5 0 0 00.7 2M u s c l e7 0 0 00.4S k e l e t o n2 1 021 0-2T r u n k3 2 7 7.50.2 8图6人体在车内的坐姿模型F i g.6 S i t t i n g p o s t u r e m o d e l o f t h e h u m a n b o d y i n c a r s3.2汽车内人体电磁辐射仿真模型汽车及人体电磁辐射仿真模型如图7所示。汽车车体尺寸为3.8 m1.7 m1.5 m,人体坐姿高度约为1.3 2 m,手机无线充电模块位于中控位置。驾驶员的头顶距离无线充电模块中心在x,y,z方向的距离分别7 0 0,4 0 0,5 7 4 mm,驾驶员的脚底距离谐振线圈中心的垂直距离为7 5 0 mm。车内主驾电磁辐射测试位置如图8所示。按照测试标准,求解无人体模型时主驾头部p1、胸部p2、裆部p3、脚部(p4&p5)5个位置的磁场强度,以及有人体模型时,人体内 部同样位置的 电场强度、磁场强度及S A R分布。图7汽车及人体电磁辐射仿真模型F i g.7 R e l a t i v e p o s i t i o n o f t h e h u m a n b o d y a n d m o b i l ep h o n e w i r e l e s s c h a r g i n g m o d u l e i n s i d e t h e c a r图8车内主驾电磁辐射测试位置F i g.8 L o c a t i o n o f e l e c t r o m a g n e t i c r a d i a t i o n t e s tf o r t h e d r i v e r i n s i d e t h e c a r6-505010第1 5卷现 代 应 用 物 理3.3等效源及场分布采用面等效(S E P)可以仿真得到车身和人体表面电磁场分布如图9所示。该电流或磁流作为等效源即可计算出各个电磁场性能指标。由图9可见,电磁场的分布受车身及人体结构的影响,并不是均匀分布的,且电磁场等效源数值非常小。(a)S u r f a c e c u r r e n t(b)M a g n e t i c c u r r e n t图9车身和人体表面的电磁场分布F i g.9 E l e c t r o m a g n e t i c f i e l d d i s t r i b u t i o n o n v e h i c l e b o d y a n d h u m a n b o d y s u r f a c e车身与人体模型存在时,车内无线充电模块正上方P1所在平面的磁场分布如图1 0所示。磁场强度最大值为1 3.7 mAm-1,与第2.2,2.3节中,与只有无线充电模块时产生的磁场强度相比,此时的磁场强度要小得多,说明车身金属与人体介质模型对电磁能量有吸收或散射的作用,影响电磁场的分布,使车内电磁环境较为复杂。图1 0车内无线充电模块正上方P1所在平面的磁场分布F i g.1 0 M a g n e t i c f i e l d d i s t r i b u t i o n o n t h e p l a n e w h e r e P1 i sl o c a t e d a b o v e t h e w i r e l e s s c h a r g i n g m o d u l e3.4人体内部电场和S A R人体内部p1p5电场强度及比吸收率S A R如表4所列。由表4可知:所设置的人体内5个观测点的电场强度最大值为1 7.8 Vm-1,远低于I C N I R P-2 0 1 0和I C N I R P-2 0 2 0在该频率时的限值1 7.2 6 Vm-1;按照式(1)通过内部电场计算得到的S A R与仿真得到的S A R存在合理的关联性;计算得到的S A R小于1 0 g组织空间的平均S A R,大于全身平均S A R;全身平均S A R和1 0 g组织空间 的 平 均S A R均 远 小 于I C N I R P 2 0 2 0和I E E E C 9 5.1-2 0 1 9规 定 的 限 值0.0 8 Wk g-1和2 Wk g-1。因此,人体在手机无线充电模块工作时所受到的辐射影响微乎其微。3.5人体内部和外部磁场有无车模型时人体内部磁场强度及无人体模型时主驾驶位置同样观测点的磁场强度对比如表5所列。表4人体内部p1p5的电场强度及S A RT