校园机房电磁环境调查及计算机模拟0课件.ppt

1、0孙思文孙思文 PB03009088电子工程与信息科学系电子工程与信息科学系 导导 言言n电磁污染的危害电磁污染的危害n电磁污染的分析电磁污染的分析n基本理论基本理论 n建立物理模型建立物理模型n对模型的计算机处理和模拟对模型的计算机处理和模拟n应用应用科大树华智源中心科大树华智源中心 n数据分析及调查总结数据分析及调查总结 电磁污染的危害电磁污染的危害 n计算机带来的电磁污染，已成为影响计算机带来的电磁污染，已成为影响人们身体健康的不容忽视的问题人们身体健康的不容忽视的问题。电磁污染的危害电磁污染的危害n广州日报：纽约大学的卡彭特博士认为儿童的癌症中10-15%是由家用电器及电器制品导致。n

2、吉林环境报：据美国科罗拉多洲大学研究人员调查，电磁污染较严重的丹佛地区儿童死于白血病者是其他地区的两倍以上。n电磁辐射的污染及防护和治理：通过对1307名配镜师的调查，大约有1000万名美国人患与显示终端有关的视力疾病。n中国教育报：西安第四军医大学在研究中发现：电磁辐射可使骨组织中的微量元素Ca含量和Zn含量明显下降，从而影响儿童的生长发育，甚至导致骨质疏松症。电磁污染的危害电磁污染的危害n上海交通大学教授毛增滇上海交通大学教授毛增滇 呼吁：呼吁：计算机工作时产生的辐射、静电和较高温度，如计算机工作时产生的辐射、静电和较高温度，如不加强防护，将会损害学生的身体健康。一般的不加强防护，将会损害

3、学生的身体健康。一般的学校里，在学校里，在四五十平方米大的机房内，放置着几四五十平方米大的机房内，放置着几十台电脑，由此产生的热量、辐射和静电量可想十台电脑，由此产生的热量、辐射和静电量可想而知而知。而且这些机室通常都是门窗禁闭，空气流。而且这些机室通常都是门窗禁闭，空气流通性极差。学生在这种环境里学习，身体势必受通性极差。学生在这种环境里学习，身体势必受到伤害。到伤害。电磁污染的分析电磁污染的分析机房机房电磁污染电磁污染静电静电电磁辐射电磁辐射显示屏、机箱显示屏、机箱带静电带静电VDT显象管产生的显象管产生的x射线、射线、紫外线、可见光、红外线紫外线、可见光、红外线以及热电子枪的以及热电子枪

4、的射线。射线。电脑内部众多配件，如电电脑内部众多配件，如电源、主板、内存、显卡在源、主板、内存、显卡在交流电下工作时产生交流电下工作时产生强烈的电磁辐射强烈的电磁辐射 基本理论基本理论（1）（2）（3）（4）00HEEHHEjj对方程组中式（对方程组中式（1）求旋度，并利用式（）求旋度，并利用式（2）得：）得：EHE2)(j（5）运用矢量分析公式并联立（运用矢量分析公式并联立（3）式可得：）式可得：EEEE22)()(（6）由（由（5）（）（6）可得：）可得：0k22EE其中其中 k（Helmholtz方程）方程）.基本理论基本理论1介质中点电荷的场强公式：介质中点电荷的场强公式：04QrrE

5、2Maxwell方程组方程组:ttDjHBBED000对一定频率的电磁波，电磁场对时间的依赖关系为：对一定频率的电磁波，电磁场对时间的依赖关系为：tjtj)e()t,()e()t,(wwrBrBrErE在均匀介质中，有在均匀介质中，有 DE B=H 把上式代入把上式代入Maxwell方程组，消去共同因子方程组，消去共同因子 tjew基本理论基本理论对于平面电磁波，对于平面电磁波，Helmholtz方程可简化为：方程可简化为：0E(x)kdxE(x)d222它的一个解是：它的一个解是：t)-kx(j0et)(x,EE一般情况下，平面电磁波的电场强度的表达一般情况下，平面电磁波的电场强度的表达 )

6、t-kr j(er1CE称为传播常数称为传播常数 C 与源有关的常数。与源有关的常数。k基本理论基本理论3电磁波携带的能量密度：电磁波携带的能量密度：)(21UHBDEEnEkEHB)()1(e)t-kr j(jjrCjj由（由（2 2），），（n是电磁波传播方向的单位矢量是电磁波传播方向的单位矢量)100BEBE所以有所以有 其中其中0E0B分别是电场强度和磁感应强度的振幅。分别是电场强度和磁感应强度的振幅。（8）建立物理模型建立物理模型n1构建一个构建一个mn阶的矩阵阶的矩阵：mnmnnaaaaaaa.122111211aij无人上机时置无人上机时置0，有人上机置，有人上机置1 建立物理模

7、型建立物理模型n2用点电荷模型计算每个工作用点电荷模型计算每个工作点的静电场强度点的静电场强度：r/mE/(V/m)3021.74013.9509.3606.914英寸电脑显示器周围非正弦场强测试值英寸电脑显示器周围非正弦场强测试值E E的大小与的大小与r r的平方近似的平方近似成反比。成反比。近似地将每近似地将每个工作点抽个工作点抽象成点电荷象成点电荷场强的叠加原理：场强的叠加原理：),(E11ijqpmippnjqq1234562345),(qp表示（表示（p，q）工作点在（）工作点在（i，j）点产生的电场强度。）点产生的电场强度。建立物理模型建立物理模型n3计算每个工作点的电磁波能量计算

8、每个工作点的电磁波能量密度密度U：)(21UHBDE将机房中的电磁波简化为平面电磁波。将机房中的电磁波简化为平面电磁波。2002y02y02y0202z2y002z2y00220EEEE21cc)(BE21)BE(21)BE(21H)BD(E21U避开了避开了H和和B，直接用电磁波的电场强度来计算其能量密度，直接用电磁波的电场强度来计算其能量密度 简简对模型的计算机处理和模拟对模型的计算机处理和模拟n1 1计算电场强度的函数：计算电场强度的函数：void calculateE(Link&L,int rownumber,int queuenumber)int i,j,n,x,y;float x1

9、,y1;float paral=0,vertical=0;n=rownumber*queuenumber;for(i=0;in;i+)coutrow(i)=Li.rowendl;coutqueue(i)=Li.queueendl;for(j=0;jn;j+)if(j!=i&Lj.use!=0)x=(Li.queue-Lj.queue);cout“queue(i-j)=xendl;y=(Li.row-Lj.row);coutrow(i-j)=yendl;x1=x*a;couti=i j=j x1(i,j)=x1endl;y1=y*b;couti=i j=j y1(i,j)=y1endl;para

10、l=paral+Q*x1/sqrt(x1*x1+y1*y1)/(4*3.14159*e0*(x1*x1+y1*y1);vertical=vertical+Q*y1/sqrt(x1*x1+y1*y1)/(4*3.14159*e0*(x1*x1+y1*y1);Li.E=sqrt(paral*paral+vertical*vertical);coutparal i=paralendl;coutvertical i=verticalendl;paral=0;vertical=0;/计算该工作时刻每个工作点上的静电场计算该工作时刻每个工作点上的静电场E对模型的计算机处理和模拟对模型的计算机处理和模拟n

11、2计算电磁波能量密度的函数：计算电磁波能量密度的函数：void calculateU(Link&L,int rownumber,int queuenumber)int i,j,n,x,y;float x1,y1,r;n=rownumber*queuenumber;for(i=0;in;i+)for(j=0;jn;j+)if(j!=i&Lj.use!=0)x=abs(Li.queue-Lj.queue);coutqueue(i-j)=xendl;y=abs(Li.row-Lj.row);cout“row(”i“j)=yendl;x1=x*a;y1=y*b;r=sqrt(x1*x1+y1*y1);

12、Li.U=Li.U+er*C*C/r/r;/计算该工作时刻每个工作点上的计算该工作时刻每个工作点上的U值值对模型的计算机处理和模拟对模型的计算机处理和模拟n3.将程序运行结果用将程序运行结果用Mathematica处理处理，模拟模拟E和和U分布情况。分布情况。算法设计思想：算法设计思想：定义一个从表中取点的函数定义一个从表中取点的函数f（x，y）将将E和和U的数据分别存储在的数据分别存储在mn阶的表阶的表e和表和表u中中 计算函数值计算函数值打印和输出打印和输出以以1为步长依次从为步长依次从e，u中取点中取点 密度图、等值线图和立体曲面图密度图、等值线图和立体曲面图 应用应用科大树华智源中心科

13、大树华智源中心应用应用科大树华智源中心科大树华智源中心n1数据采集：实地测量出机房的长、宽分别为数据采集：实地测量出机房的长、宽分别为16.32m16.32m和和12.40m12.40m，其，其计算机分布为计算机分布为1616行行7 7列列。记录记录20192019年年1212月月5 5日日一天中三个时刻机房计算机的使用情况一天中三个时刻机房计算机的使用情况。时间时间计算机使用情况9：30am（1，1）（1，2）（1，3）（1，4）（1,5）（1，6）（1，7）（1，8）（1，9）（1,16）（2，1）（2，2）（2，3）（2，4）（3，1）（3，2）（3，3）（3，4）（4，1）（4，2）（

14、4，3）（4，4）（5，1）（5，10）（7，12）机位非空14：00pm机位满19：30pm（1，8）（2，3）（2，16）（4，15）（6，4）（7，10）（7，11）机位空应用应用科大树华智源中心科大树华智源中心n2.数据处理数据处理：将用编好的C源程序处理。（1）9：30am：每个工作点的工作情况每个工作点的工作情况:1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 1 11 1 0 0 0 1 1 1 1 0 0 0 1 0 0 00 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 00 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 00 0 0 0 0 0

15、0 0 0 0 0 0 0 0 0 00 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 00 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0应用应用科大树华智源中心科大树华智源中心每个工作点的静电场每个工作点的静电场E E值（值（Q Q取单位取单位1 1）:n0.0185 0.0176 0.0012 0.0016 0.0050 0.0239 0.0199 0.0187 0.0181 0.0039 0.0038 0.0020 0.0170 0.0007 0.0009 0.0029n0.0185 0.0183 0.0184 0.0183 0.0180 0.0039 0.017

16、2 0.0183 0.0187 0.0188 0.0180 0.0014 0.0009 0.0012 0.0176 0.0177n0.0233 0.0237 0.0071 0.0067 0.0092 0.0076 0.0243 0.0246 0.0242 0.0079 0.0062 0.0020 0.0174 0.0021 0.0052 0.0055 n0.0087 0.0088 0.0050 0.0048 0.0082 0.0263 0.0113 0.0103 0.0096 0.0056 0.0040 0.0023 0.0050 0.0022 0.0029 0.0031n0.0053 0.0

17、054 0.0040 0.0040 0.0070 0.0270 0.0084 0.0069 0.0062 0.0044 0.0031 0.0022 0.0028 0.0020 0.0021 0.0021n0.0037 0.0039 0.0033 0.0035 0.0056 0.0104 0.0066 0.0053 0.0046 0.0035 0.0026 0.0020 0.0020 0.0017 0.0016 0.0016 n0.0028 0.0030 0.0028 0.0031 0.0045 0.0063 0.0051 0.0042 0.0036 0.0029 0.0022 0.0018 0

18、.0017 0.0015 0.0014 0.0013应用应用科大树华智源中心科大树华智源中心n2.5147 2.7746 1.0515 0.9913 1.3342 3.5972 3.3677 3.1868 2.9312 1.0016 0.5887 0.7047 2.1533 0.6264 0.3772 0.3257n2.5127 2.7460 2.9062 2.8296 3.2877 5.2398 3.4662 3.1956 2.9046 2.8566 2.4447 0.7025 0.2677 0.6241 2.2330 2.1800n2.8951 3.0744 1.3472 1.2999 1

19、.8068 5.0888 3.8402 3.4953 3.2268 1.3011 0.9685 0.6125 2.1361 0.5360 0.7654 0.7142n1.1119 1.2436 0.9148 0.9141 1.3712 3.2434 1.9420 1.5976 1.3835 0.8741 0.6384 0.4981 0.7071 0.4251 0.4506 0.4040n0.6682 0.7663 0.6827 0.7140 1.0548 3.2191 1.3210 1.0517 0.8902 0.6481 0.4871 0.4025 0.4258 0.3342 0.3181

20、0.2772n0.4689 0.5442 0.5353 0.5798 0.8037 1.3078 0.9501 0.7714 0.6513 0.5067 0.3948 0.3319 0.3145 0.2690 0.2452 0.2103n0.3570 0.4165 0.4339 0.4798 0.6206 0.8121 0.7080 0.5967 0.5077 0.4108 0.3303 0.2800 0.2538 0.2228 0.1992 0.1696每个工作点每个工作点U U的峰值（的峰值（C C取单位取单位1 1）:同理输入同理输入1414：00pm 00pm 和和 1919：30pm

21、30pm对应的数据，运行程序。对应的数据，运行程序。应用应用科大树华智源中心科大树华智源中心n3数据模拟数据模拟：将运行结果用将运行结果用MathematicaMathematica处理，进行处理，进行E E、U U分布的模拟。分布的模拟。（1）9：30am E分布的等值线图、密度图、曲面图分布的等值线图、密度图、曲面图12345672468101214161234567246810121416 应用应用科大树华智源中心科大树华智源中心9 9：30am U30am U分布的等值线图、密度图、曲面图分布的等值线图、密度图、曲面图1234567246810121416123456724681012

22、1416（2 2）1414：00pm E00pm E分布的等值线图、密度图、立体曲面图分布的等值线图、密度图、立体曲面图12345672468101214161234567246810121416 E的分布十分对称。的分布十分对称。中间行、列的静电场强度中间行、列的静电场强度E很小，几乎为零；很小，几乎为零；四周的机位的四周的机位的E值相当大（从密度图四周区域颜色之浅可以看出）值相当大（从密度图四周区域颜色之浅可以看出）。应用应用科大树华智源中心科大树华智源中心1414：00pm U00pm U分布的等值线图、密度图、立体曲面图分布的等值线图、密度图、立体曲面图1234567246810121

23、4161234567246810121416 应用应用科大树华智源中心科大树华智源中心1234562468103 3）1919：30pm30pm E E分布的等值线图分布的等值线图、密度图密度图123456246810应用应用科大树华智源中心科大树华智源中心1919：30pm E30pm E分布的立体曲面图分布的立体曲面图 电场强度电场强度E值最大的区值最大的区域并不总是使用点最为域并不总是使用点最为密集的区域，而往往是密集的区域，而往往是它附近的区域它附近的区域（从等值（从等值线图中等值线的分布情线图中等值线的分布情况可以看出）。况可以看出）。尤其当使用点分布形状尤其当使用点分布形状越不规则

24、、越离散时，越不规则、越离散时，这种现象越明显这种现象越明显（从立（从立体曲面图中体曲面图中z方向的值的方向的值的分布情况可以看出）。分布情况可以看出）。应用应用科大树华智源中心科大树华智源中心 19 19：30pm U30pm U分布的等值线图、密度图分布的等值线图、密度图123456246810 123456246810 应用应用科大树华智源中心科大树华智源中心1919：30pm30pm U U分布的立体曲面图分布的立体曲面图 调查总结调查总结n调查总结：调查总结：(1)(1)在计算在计算E E和和U U时，由于没有测量仪器，无法进行精确的测量，所以时，由于没有测量仪器，无法进行精确的测量

25、，所以参数参数Q Q和和C C暂取单位暂取单位1 1。实际中，实际中，Q Q和和C C的值都应远大于的值都应远大于1 1，至少是，至少是1010的平方的数量级。的平方的数量级。由此可见，校园机房的电磁污染情况是比较严重，需要引起重视。由此可见，校园机房的电磁污染情况是比较严重，需要引起重视。有关部门应采取一定的措施进行治理。有关部门应采取一定的措施进行治理。调查总结调查总结（2 2）由于对）由于对C C语言和语言和 MathematicaMathematica编程语句的相互嵌编程语句的相互嵌套和转化不熟悉，所以计算数值和描绘图像的过程套和转化不熟悉，所以计算数值和描绘图像的过程不能一体化，是分

26、两个程序进行的。不能一体化，是分两个程序进行的。（3 3）文中的程序也可应用到其他的机房。采集其他）文中的程序也可应用到其他的机房。采集其他机房的数据整理好后，输入计算机中，即可用该程机房的数据整理好后，输入计算机中，即可用该程序进行处理序进行处理。改进措施改进措施n除了传统的方法外，我们可以在机位的分配上做一些改进。除了传统的方法外，我们可以在机位的分配上做一些改进。由数据分析的结果，我们知道，由数据分析的结果，我们知道，当正在使用的计算机分布越离散，当正在使用的计算机分布越离散，那么由它们产生的电场强度之间的相互影响就越小。那么由它们产生的电场强度之间的相互影响就越小。所以当上机人数很少时

27、，我们可以这样定义机位的分配方案，所以当上机人数很少时，我们可以这样定义机位的分配方案，“四角中心分配法四角中心分配法”：目前树华智源中心计算机是这样分配的：由第一行到最后一行，依先后次序目前树华智源中心计算机是这样分配的：由第一行到最后一行，依先后次序分分 配，即第一行机位人满后，再使用第二行，然后依次到第七行；机位人配，即第一行机位人满后，再使用第二行，然后依次到第七行；机位人满以后，每离开一位同学，他的机位就交下一位等待的同学使用。满以后，每离开一位同学，他的机位就交下一位等待的同学使用。n传统的治理方法主要有四种：接地、屏蔽、滤波和显示屏镀膜。传统的治理方法主要有四种：接地、屏蔽、滤波

28、和显示屏镀膜。调查总结调查总结“四角中心分配法四角中心分配法”演示演示参考文献：参考文献：n电磁学戚伯云 中国科学技术大学出版社2019年8月版n电磁波传播与空间环境熊皓 电子工业出版社2019年1月版n电磁辐射的污染及防护与治理 刘文魁 庞东 科学出版社2019年1月版nMathematica符号计算系统 张韵华 中国科学技术大学出版社2019年11月版nPhysics Classical and Modern 美Frederick J.Keller,W.Edward,Malcolm J.Skove 高物译 高等教育出版社1991年1月版感谢：感谢：n曹金祥老师给予的建议和指导曹金祥老师给予

29、的建议和指导n物理四班物理四班谢思阳同学在程序调试和编谢思阳同学在程序调试和编制过程中给予的帮助制过程中给予的帮助n3 3215215寝室好朋友的支持和鼓励寝室好朋友的支持和鼓励n所有老师和同学的倾听所有老师和同学的倾听2019.12.102019.12.10后续工作：开发机房机位智能分配软件n在在“四角中心分配法四角中心分配法”的理论基础上，编制了一的理论基础上，编制了一个通过科学的计算后，对机房的上机位置进行智个通过科学的计算后，对机房的上机位置进行智能分配的软件。它可以直接运用到任意指定的机能分配的软件。它可以直接运用到任意指定的机房。房。n该软件的功能：输入机房的长宽和机位分布。该软件的功能：输入机房的长宽和机位分布。然后每来一位上机者就通过计算，将现存的最优然后每来一位上机者就通过计算，将现存的最优机位通过科学计算找出来分配给他。机位通过科学计算找出来分配给他。同时还可以完成上机、下机和即时计算、监控的同时还可以完成上机、下机和即时计算、监控的功能。功能。后续工作：开发机房机位智能分配软件谢谢大家元旦快乐后续工作：开发机房机位智能分配软件2019.元旦