Віртуальний інструментарій для моделювання поляризованих електромагнітних хвиль

Грицаєнко, Максим  Олександрович

Please use this identifier to cite or link to this item: https://er.chdtu.edu.ua/handle/ChSTU/5824

Title:	Віртуальний інструментарій для моделювання поляризованих електромагнітних хвиль
Authors:	Гавриш, Олександр Степанович Грицаєнко, Максим Олександрович
Keywords:	моделювання;лінійна та обертова поляризація;коефіцієнт еліптичності;віртуальний стенд;програма LABVIEW
Issue Date:	2025
Abstract:	Метою даної роботи є модернізація віртуального стенду для дослідження поляризації електромагнітних хвиль в середовищі LabVIEW і отримання за його допомогою експериментальних результатів. Об’єкт дослідження – поляризація електромагнітної хвилі. Методи дослідження –моделювання в середовищі Labview. В випускній роботі модернізовано віртуальний стенд, за допомогою якого можна, як генерувати поле з заданою поляризацією (лінійною, еліптичною та круговою), так і визначати параметри цієї поляризації на прийомній стороні. Особливістю стенду є те, що для генерації поляризованого сигналу необхідно задати параметри поляризації і параметри лише однієї ортогональної складової, при цьому параметри другої складової обчислюються автоматично.
URI:	https://er.chdtu.edu.ua/handle/ChSTU/5824
Appears in Collections:	172 Електронні комунікації та радіотехніка (Радіотехніка та робототехнічні системи)

Files in This Item:

File	Description	Size	Format
Б_172_Грицаєнко_Гавриш.pdf Restricted Access		2.59 MB	Adobe PDF	View/Open Request a copy

Show full item record

Extracted text

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ
ЧЕРКАСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ТЕХНОЛОГІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ
ФАКУЛЬТЕТ ЕЛЕКТРОННИХ ТЕХНОЛОГІЙ, АВТОТРАНСПОРТУ ТА МАШИНОБУДУВАННЯ
КАФЕДРА РОБОТОТЕХНІЧНИХ І ТЕЛЕКОМУНІКАЦІЙНИХ СИСТЕМ ТА
КІБЕРБЕЗПЕКИ

До захисту допущено
завідувач кафедри РТСК
д.т.н., професор __________ В.В. Палагін
"_____" червня 2025 року

Пояснювальна записка
до випускної роботи
освітнього ступеня «бакалавр»
на тему: «Віртуальний інструментарій для моделювання поляризованих електромагнітних хвиль»

Виконав студент 2(4) курсу, групи РТ-15ск
Спеціальність – 172 «Електронні комунікації та
радіотехніка»
Освітня програма – «Радіотехніка та робототехнічні
системи»
Грицаєнко Максим Олександрович
Керівник роботи Гавриш О.С.
Рецензент

Черкаси 2025
Форма № Н-9.01
Черкаський державний технологічний університет
(назва вузу)
Факультет електронних технологій, автотранспорту та машинобудування
Кафедра Робототехнічних і телекомунікаційних систем та кібербезпеки
Освітньо-кваліфікаційний рівень бакалавр
Напрям підготовки Радіотехніка та робототехнічні системи
Спеціальність 172 - Електронні комунікації та радіотехніка
ЗАТВЕРДЖУЮ
Завідувач кафедри РІТС
д.т.н., професор Палагін В.В.

« » червня 2025 р.

ЗАВДАННЯ
на дипломний проект (роботу) студенту
Грицаєнку Максиму Олександровичу
(прізвище, ім'я, по батькові)
1. Тема проекту (роботи)
Віртуальний інструментарій для моделювання поляризованих
електромагнітних хвиль

керівник проекту (роботи)
Гавриш Олександр Степанович, к.ф.-м.н., доцент
(прізвище, ім’я, по батькові, науковий ступінь, вчене звання)

затверджена наказом по університету від « » р. №

2. Строк подання студентом проекту (роботи)

3. Вихідні дані до проекту (роботи)
вид поляризації: лінійна, обертова; параметри
поляризації: кут нахилу площини поляризації, коефіцієнт еліптичності

4. Зміст розрахунково-пояснювальної записки (перелік питань, які потрібно розробити)______
Вступ 1. Загальні відомості про електромагнітні хвилі, діапазони, сфери використання.
Поляризація електромагнітних хвиль і її застосування 2. Використання LabVIEW для

моделювання фізичних процесів 3. Модернізація віртуального стенду для дослідження
поляризації електромагнітної хвилі 4. Охорона праці. Висновки. Список використаної
літератури
5. Перелік графічного матеріалу (з точним зазначенням обов’язкових

креслень)
1. Мета та завдання роботи. 2. Генерація електромагнітної хвилі з лінійною поляризацією.
3. Генерація електромагнітної хвилі з еліптичною поляризацією. 4. Генерація
електромагнітної хвилі з круговою поляризацією.5. Плакат з охорони праці.
6. Консультанти з проекту (роботи) із зазначенням розділів проекту, що їх стосуються
Підпис, дата
Розділ Прізвище, ініціали та посада завдання завдання
консультанта видав прийняв
Охорона праці Кожем’якін О. С., ст. викладач
кафедри безпеки життєдіяльності

7. Дата видачі завдання
10 лютого 2025 р.

КАЛЕНДАРНИЙ ПЛАН
№ Назва етапів дипломного Строк виконання Примітка
з/п проекту (роботи) етапів проекту
(роботи)
1. Аналіз технічного завдання та огляд літератури 10.02.2025
2. Ознайомлення з теорією поляризації
електромагнітних хвиль 26.02.2025
3. Ознайомлення з середовищем моделювання
LabVIEW 06.03.2025
4 Синтез віртуальної установки для дослідження
поляризації електромагнітної хвилі 18.03.2025
5 Знаходження параметрів поляризації ЕМХ за
допомогою віртуального стенду 07.04.2025

6. Розробка розділу з охорони праці 01.05.2025
7. Оформлення пояснювальної записки 12.05.2025
8. Оформлення плакатів 01.06.2025

Студент Грицаєнко Максим Олександрович
(підпис) (прізвище та ініціали)
Керівник проекту (роботи) Гавриш О.С.
(підпис) (прізвище та ініціали)

ЗМІСТ

ВСТУП 4
1. ЗАГАЛЬНІ ВІДОМОСТІ ПРО ЕЛЕКТРОМАГНІТНІ ХВИЛІ,
ДІАПАЗОНИ, СФЕРИ ВИКОРИСТАННЯ. ПОЛЯРИЗАЦІЯ

ЕЛЕКТРОМАГНІТНИХ ХВИЛЬ І ЇЇ ЗАСТОСУВАННЯ
6
1.1 Загальні відомості про електромагнітні хвилі 6
1.2 Діапазони електромагнітних хвиль 8
1.3 Сфери використання електромагнітних хвиль 12
1.4 Поляризація електромагнітних хвиль і її застосування 19
2. ВИКОРИСТАННЯ LABVIEW ДЛЯ МОДЕЛЮВАННЯ ФІЗИЧНИХ
ПРОЦЕСІВ
22
3. МОДЕРНІЗАЦІЯ ВІРТУАЛЬНОГО СТЕНДРУТ1 Д5Л.0Я2 Д52О7С4Л.2ІД4Ж8 ЕПНЗ НЯ
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата
Розроб. ПОГрЛицЯаєРнкИо МЗ.АО. ЦІЇ ЕЛЕКТРОМВірАтуГаНльІнТийН іОнсЇт рХумВеИнтЛарІі й для Літ. Арк. Акрушів
Перевір. Гавриш О.С. моделювання поляризованих 37
3 78
Реценз. електромагнітних хвиль
Н. Контр. Гавриш О.С. ЧДТУ
Затверд. Палагін В.В.

3.1 Створення допоміжних віртуальних приладів для дослідження
поляризації електромагнітної хвилі
37
3.2 Віртуальний прилад для дослідження поляризації поля 47
3.3 Використання синтезованого ВП для дослідження поляризації поля 54
4. ОХОРОНА ПРАЦІ 60
4.1 Аналіз небезпек та шкідливостей, які виникають в процесі розробки
віртуального інструментарію для моделювання поляризованих

електромагнітних хвиль
60
4.2 Модернізація системи охолодження процесора комп’ютера 67
Висновки 75
Список використаної літератури 77

ВСТУП

Сучасний розвиток фізичної науки та інженерної думки тісно пов'язаний із
дослідженням і моделюванням електромагнітних явищ, які становлять одну з
фундаментальних основ багатьох технологічних процесів та пристроїв.
Особливе місце серед них займають поляризовані електромагнітні хвилі,
властивості яких дозволяють створювати унікальні технології у сферах
радіозв'язку, оптики, радіолокації, медичної діагностики та багатьох інших
галузях науки і техніки. Розуміння поведінки таких хвиль при взаємодії з різними
середовищами є критично важливим для розробки сучасних інформаційно-
комунікаційних технологій, оптоелектронних систем, біомедичних приладів та
пристроїв дистанційного зондування.
Арк.
РТ15.025274.248 ПЗ
4
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

Незважаючи на суттєвий прогрес у теоретичному вивченні поляризованих
електромагнітних хвиль, практичні експерименти з ними часто вимагають
складного та коштовного обладнання, що обмежує можливості дослідження. У
цьому контексті комп'ютерне моделювання стає незамінним інструментом, який
дозволяє проводити віртуальні експерименти, демонструвати фізичні закони та
передбачати поведінку електромагнітних хвиль у різноманітних умовах без
необхідності фізичної реалізації складних експериментальних установок.
Актуальність теми дипломного проєкту обумовлена необхідністю
створення доступних та ефективних інструментів для моделювання
поляризованих електромагнітних хвиль, які б дозволили студентам, науковцям
та інженерам проводити віртуальні експерименти з високим ступенем точності
та наочності. Розробка такого віртуального інструментарію сприятиме
поглибленому вивченню електромагнітних явищ, оптимізації проєктування
електромагнітних систем та пристроїв, а також розширенню можливостей для
науково-дослідницької діяльності у відповідних галузях.
Сучасний стан розвитку інформаційних технологій дозволяє створювати
високоточні моделі фізичних явищ, а використання міждисциплінарного
підходу, що поєднує фізику електромагнітних хвиль з обчислювальною

математикою та програмною інженерією, відкриває нові можливості для
створення інтерактивних навчальних та дослідницьких інструментів.
Метою даної роботи є модернізація віртуального інструментарію для
дослідження поляризації електромагнітних хвиль в середовищі LabVIEW і
отримання за його допомогою експериментальних результатів.
Поставлена мета досягається розв’язком таких завдань:
- розглянути математичні моделі різних видів поляризації електромагнітних хвиль та умови їх генерації;
- проаналізувати функціональні можливості віртуальної установки для дослідження поляризації в програмі
LabVIEW;
- провести модернізацію віртуальної установки для дослідження поляризації електромагнітного поля;
- згенерувати поле з лінійною поляризацію під заданим кутом і знайти параметри поляризації;
- згенерувати поле з обертовою (еліптичною і круговою) поляризацію з заданим коефіцієнтом еліптичності та
знайти параметри поляризації.
Арк.
РТ15.025274.248 ПЗ
5
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

У ході виконання дипломного проєкту використовуватимуться наступні
методи дослідження: аналіз наукової літератури, методи математичного
моделювання електромагнітних процесів, методи обчислювальної математики,
об'єктно-орієнтоване проєктування, методи програмної інженерії та
комп'ютерної графіки.
Практичне значення отриманих результатів полягає в тому, що
розроблений віртуальний інструментарій може бути використаний:
- у навчальному процесі для демонстрації фундаментальних фізичних явищ,
пов'язаних з поляризованими електромагнітними хвилями;
- в науково-дослідницькій діяльності для проведення віртуальних
експериментів та перевірки теоретичних гіпотез;
- в інженерній практиці для проєктування та оптимізації електромагнітних
систем і пристроїв.

1. ЗАГАЛЬНІ ВІДОМОСТІ ПРО ЕЛЕКТРОМАГНІТНІ ХВИЛІ,
ДІАПАЗОНИ, СФЕРИ ВИКОРИСТАННЯ. ПОЛЯРИЗАЦІЯ
ЕЛЕКТРОМАГНІТНИХ ХВИЛЬ І ЇЇ ЗАСТОСУВАННЯ

1.1 Загальні відомості про електромагнітні хвилі

Електромагнітні хвилі є фундаментальним явищем у фізиці, що відіграє
важливу роль у багатьох технологічних застосуваннях сучасного світу. Ці хвилі
представляють собою взаємопов'язані коливання електричного та магнітного
полів, які поширюються у просторі зі швидкістю світла.
Електромагнітні хвилі виникають внаслідок коливань електрично
заряджених частинок. Коли електричний заряд прискорюється, він генерує
змінне електричне поле, яке, в свою чергу, індукує змінне магнітне поле. Ці два
поля взаємно підтримують одне одного, створюючи хвилю, що поширюється у
просторі [1].
Математично електромагнітні хвилі описуються рівняннями Максвелла,
сформульованими Джеймсом Клерком Максвеллом у 1860-х роках. Ці рівняння
Арк.
РТ15.025274.248 ПЗ
6
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

встановлюють взаємозв'язок між електричним та магнітним полями та
передбачають існування електромагнітних хвиль [2]:
1. Закон Гаусса для електричного поля: ∇·E = ρ/ε₀;
2. Закон Гаусса для магнітного поля: ∇·B = 0;
3. Закон Фарадея: ∇×E = -∂B/∂t;
4. Закон Ампера-Максвелла: ∇×B = μ₀J + μ₀ε₀∂E/∂t,
де E - електричне поле, B - магнітне поле, ρ - густина заряду, J - густина
струму, ε₀ - електрична проникність вакууму, μ₀ - магнітна проникність вакууму.
Електромагнітні хвилі характеризуються кількома фундаментальними
параметрами:
Частота (f) - кількість коливань електромагнітного поля за одиницю часу,
вимірюється в герцах (Гц). Частота пов'язана з періодом T співвідношенням f =
1/T.
Довжина хвилі (λ) - відстань між двома послідовними максимумами (або
мінімумами) хвилі, вимірюється в метрах (м). Довжина хвилі пов'язана з
частотою та швидкістю світла співвідношенням λ = c/f.
Амплітуда - максимальне значення напруженості електричного поля E₀ або
магнітної індукції B₀, визначає інтенсивність електромагнітної хвилі.
Фаза - характеризує положення точки на хвилі в певний момент часу
відносно початку відліку.
Поляризація - орієнтація коливань електричного поля в просторі (цей
аспект буде детально розглянуто в подальших розділах).
Інтенсивність - енергія, що переноситься хвилею через одиницю площі за
одиницю часу, вимірюється у ватах на квадратний метр (Вт/м²) і пропорційна
квадрату амплітуди електричного поля: I = (1/2)ε₀cE₀², де ε₀ - електрична стала
[3].
Хвильовий вектор (k) - вектор, напрямлений у бік поширення хвилі,
модуль якого дорівнює k = 2π/λ.
Важливо зазначити, що електромагнітні хвилі є поперечними хвилями,
тобто коливання електричного та магнітного полів відбуваються у площині,
Арк.
РТ15.025274.248 ПЗ
7
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

перпендикулярній до напрямку поширення хвилі. При цьому вектори E і B
завжди перпендикулярні один до одного та до напрямку поширення.
Електромагнітні хвилі мають низку важливих властивостей, які
визначають їхню поведінку при взаємодії з різними середовищами:
Інтерференція - явище накладання двох або більше когерентних хвиль, що
призводить до перерозподілу енергії в просторі. У точках конструктивної
інтерференції амплітуда результуючої хвилі збільшується, а в точках
деструктивної - зменшується.
Дифракція - явище огинання хвилями перешкод, особливо помітне, коли
розміри перешкоди порівнянні з довжиною хвилі.
Відбивання - зміна напрямку поширення хвилі при її взаємодії з границею
розділу двох середовищ, причому кут падіння дорівнює куту відбивання.
Заломлення - зміна напрямку поширення хвилі при переході з одного
середовища в інше, що характеризується законом Снелліуса: n₁sin(θ₁) = n₂sin(θ₂),
де n₁ і n₂ - показники заломлення середовищ, θ₁ - кут падіння, θ₂ - кут заломлення.
Дисперсія - залежність швидкості поширення хвилі від її частоти, що
призводить до розкладання білого світла на спектр при проходженні через
призму.
Поглинання - процес перетворення енергії електромагнітної хвилі на інші
форми енергії (наприклад, теплову) при проходженні через речовину.
Поляризація - впорядкування коливань електричного вектора в певній
площині або за певним законом, що буде детально розглянуто в цьому розділі.

1.2 Діапазони електромагнітних хвиль

Електромагнітне випромінювання охоплює надзвичайно широкий
діапазон частот і довжин хвиль, утворюючи єдиний безперервний спектр.
Незважаючи на те, що фізична природа всіх електромагнітних хвиль однакова,
їхні властивості, методи генерації, детектування та застосування суттєво
відрізняються залежно від частоти. У цьому розділі детально розглянемо основні
діапазони електромагнітного спектра та їхні характеристики.
Арк.
РТ15.025274.248 ПЗ
8
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

Електромагнітний спектр традиційно поділяють на декілька основних
діапазонів, межі між якими є дещо умовними та визначаються насамперед
історичними причинами та особливостями взаємодії випромінювання з
речовиною [4]. Класифікація відбувається за частотою (f) або довжиною хвилі
(λ), які пов'язані співвідношенням:
λ = c/f
де c — швидкість світла у вакуумі (c ≈ 3×10⁸ м/с).
Крім частоти та довжини хвилі, електромагнітне випромінювання
характеризується також енергією фотона (E), яка визначається за формулою
Планка - E = hf = hc/λ, де h — стала Планка (h ≈ 6.626×10⁻³⁴ Дж·с).

Діапазон Радіохвиль: від 3 кГц до 300 ГГц (довжина хвилі від 1 мм до 100
км).
Радіохвилі мають найнижчу частоту та найбільшу довжину хвилі в
електромагнітному спектрі. Цей діапазон містить такі частоти [5]:
- Наднизькі частоти (Extremely Low Frequency, ELF): 3-30 Гц, λ: 10,000-
100,000 км;
- Інфранизькі частоти (Super Low Frequency, SLF): 30-300 Гц, λ: 1,000-10,000
км;
- Ультранизькі частоти (Ultra Low Frequency, ULF): 300-3,000 Гц, λ: 100-
1,000 км;
- Дуже низькі частоти (Very Low Frequency, VLF): 3-30 кГц, λ: 10-100 км;
- Низькі частоти (Low Frequency, LF): 30-300 кГц, λ: 1-10 км;
- Середні частоти (Medium Frequency, MF): 300-3,000 кГц, λ: 100-1,000 м;
- Високі частоти (High Frequency, HF): 3-30 МГц, λ: 10-100 м;
- Дуже високі частоти (Very High Frequency, VHF): 30-300 МГц, λ: 1-10 м;
- Ультрависокі частоти (Ultra High Frequency, UHF): 300-3,000 МГц, λ: 10-
100 см;
- Надвисокі частоти (Super High Frequency, SHF): 3-30 ГГц, λ: 1-10 см;
Арк.
РТ15.025274.248 ПЗ
9
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

- Вкрай високі частоти (Extremely High Frequency, EHF): 30-300 ГГц, λ: 1-10
мм.
Радіохвилі здатні поширюватися на великі відстані, проникати через
будівлі та атмосферу. Використовуються для радіо- та телемовлення, мобільного
зв'язку, радіолокації, радіоастрономії, навігації (GPS, ГЛОНАСС) [6].
Діапазон мікрохвиль: від 300 МГц до 300 ГГц (довжина хвилі від 1 мм до
1 м).
Мікрохвилі частково перекриваються з радіохвилями високих частот
(UHF, SHF, EHF).
Мікрохвилі взаємодіють із молекулами води, спричиняючи їх обертання та
нагрівання. Застосовуються в мікрохвильових печах, радарах, супутниковому
зв'язку, безпровідних мережах (Wi-Fi), телеметрії. Також використовуються в

радіоастрономії для вивчення реліктового випромінювання [7].
Діапазон інфрачервоного випромінювання: від 300 ГГц до 430 ТГц
(довжина хвилі від 740 нм до 1 мм).
Інфрачервоний діапазон поділяється на піддіапазони:
- Дальнє інфрачервоне (Far Infrared, FIR): λ: 50 мкм - 1 мм;
- Середнє інфрачервоне (Mid Infrared, MIR): λ: 3-50 мкм;
- Ближнє інфрачервоне (Near Infrared, NIR): λ: 740 нм - 3 мкм.
Інфрачервоне випромінювання асоціюється з тепловим випромінюванням
тіл. Використовується в тепловізорах, інфрачервоних камерах спостереження,
пультах дистанційного керування, оптоволоконних комунікаціях, спектроскопії,
системах нічного бачення. В астрономії ІЧ-телескопи дозволяють спостерігати
об'єкти, приховані пиловими хмарами [8].
Діапазон видимого світла: від 430 до 790 ТГц (довжина хвилі від 380 до
740 нм).
Видиме світло — єдина частина електромагнітного спектра, яку може
сприймати людське око. Цей діапазон поділяється на кольори:
- Фіолетовий: λ: 380-450 нм;
- Синій: λ: 450-485 нм;
Арк.
РТ15.025274.248 ПЗ
10
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

- Блакитний: λ: 485-500 нм;
- Зелений: λ: 500-565 нм;
- Жовтий: λ: 565-590 нм;
- Помаранчевий: λ: 590-625 нм;
- Червоний: λ: 625-740 нм.
Видиме світло використовується в освітленні, фотографії, оптичних
приладах, мікроскопії, спектроскопії. У волоконно-оптичних системах зв'язку
видиме світло слугує для передачі інформації. В астрономії оптичні телескопи
вивчають космічні об'єкти у видимому діапазоні [9].
Діапазон ультрафіолетового випромінювання: від 790 ТГц до 30 ПГц
(довжина хвилі від 10 до 380 нм).

Ультрафіолетовий діапазон поділяється на:
- Ближній ультрафіолет (NUV): λ: 300-380 нм;
- Середній ультрафіолет (MUV): λ: 200-300 нм;
- Дальній ультрафіолет (FUV): λ: 122-200 нм;
- Екстремальний ультрафіолет (EUV): λ: 10-121 нм.
УФ-випромінювання може іонізувати атоми й молекули, спричиняє
фотохімічні реакції. Використовується для стерилізації, виявлення підробок, в
люмінесцентному аналізі, фотолітографії, виробництві вітаміну D. УФ-
астрономія вивчає гарячі зорі та галактики [10].
Діапазон рентгенівського випромінювання від 30 ПГц до 30 ЕГц (довжина
хвилі від 0.01 до 10 нм) поділяється на:
- М'яке рентгенівське випромінювання: λ: 0.1-10 нм;
- Жорстке рентгенівське випромінювання: λ: 0.01-0.1 нм.
Рентгенівські промені мають значну проникну здатність крізь м'які
тканини організму та інші матеріали. Використовуються в медичній діагностиці
(рентгенографія), комп'ютерній томографії, кристалографії, дефектоскопії
промислових виробів, системах безпеки (сканери багажу). В астрономії
рентгенівські телескопи вивчають високоенергетичні процеси у Всесвіті [11].
Арк.
РТ15.025274.248 ПЗ
11
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

Діапазон гамма-випромінювання: понад 30 ЕГц (довжина хвилі менше 0.01
нм).
Гамма-випромінювання має найвищу енергію та найкоротшу довжину
хвилі. Виникає при радіоактивному розпаді та ядерних реакціях.
Використовується в ядерній медицині (позитронно-емісійна томографія),
променевій терапії, стерилізації продуктів харчування, дефектоскопії. Гамма-
астрономія вивчає найбільш енергетичні процеси у Всесвіті: гамма-спалахи,
пульсари, активні галактичні ядра [12].
Земна атмосфера по-різному взаємодіє з електромагнітним
випромінюванням залежно від його частоти, утворюючи так звані "вікна
прозорості" — діапазони, в яких випромінювання може відносно вільно
проходити крізь атмосферу.

Основні вікна прозорості атмосфери:
1. Радіовікно: приблизно від 1 см до 11 м (частоти від 10 МГц до 30
ГГц);
2. Оптичне вікно: приблизно від 300 нм до 1100 нм (включає видиме
світло та частину ближнього ІЧ та УФ);
3. Інфрачервоні вікна: кілька вузьких смуг у діапазоні 3-5 мкм та 8-14
мкм.
За межами цих вікон атмосфера значною мірою поглинає або розсіює
електромагнітне випромінювання. Це відбувається через наявність в атмосфері
молекул води, вуглекислого газу, озону та інших газів, які взаємодіють із
випромінюванням на певних частотах [13].
Знання атмосферних вікон має вирішальне значення для астрономічних
спостережень, супутникового зв'язку, дистанційного зондування Землі та інших
застосувань. Для спостереження у діапазонах, які поглинаються атмосферою,
телескопи та детектори розміщують на високогірних обсерваторіях, повітряних
платформах або в космосі.

1.3 Сфери використання електромагнітних хвиль
Арк.
РТ15.025274.248 ПЗ
12
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

Електромагнітні хвилі становлять основу сучасних комунікаційних
технологій, забезпечуючи можливість передачі інформації на великі відстані.
Радіозв'язок використовує електромагнітні хвилі для передачі голосових
сигналів та даних. Передавач перетворює електричні сигнали на радіохвилі, які
поширюються в просторі та приймаються спеціальними пристроями. Діапазони
радіочастот поділяються на:
- Наднизькі частоти (3-30 Гц) — для підводного зв'язку;
- Низькі частоти (30-300 кГц) — для далекого радіозв'язку;
- Середні частоти (300 кГц - 3 МГц) — для AM-радіомовлення;
- Високі частоти (3-30 МГц) — для короткохвильового радіо;

- Дуже високі частоти (30-300 МГц) — для FM-радіомовлення і телевізійних
сигналів;
- Ультрависокі частоти (300 МГц - 3 ГГц) — для телебачення, мобільного
зв'язку;
- Надвисокі частоти (3-30 ГГц) — для супутникового зв'язку, радарів;
- Вкрай високі частоти (30-300 ГГц) — для експериментальних систем
зв'язку.
Мобільний зв'язок є одним з найпоширеніших застосувань
електромагнітних хвиль. Сучасні технології мобільного зв'язку включають:
- GSM (Global System for Mobile Communications) — використовує частоти
900 МГц і 1800 МГц;
- 3G (UMTS) — працює на частотах 850, 900, 1900, 2100 МГц;
- 4G (LTE) — використовує частоти від 700 МГц до 2,6 ГГц;
- 5G — працює на частотах від 3,4 до 3,8 ГГц (sub-6 GHz діапазон) і від 24
до 86 ГГц (міліметрові хвилі).
Супутниковий зв'язок забезпечує глобальне покриття комунікаційними
послугами. Супутникові системи працюють у декількох діапазонах:
- C-діапазон (4-8 ГГц) — для телевізійного мовлення та передачі
телефонних розмов;
Арк.
РТ15.025274.248 ПЗ
13
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

- Ku-діапазон (12-18 ГГц) — для супутникового телебачення;
- Ka-діапазон (26,5-40 ГГц) — для високошвидкісного інтернету;
- L-діапазон (1-2 ГГц) — для мобільного супутникового зв'язку та навігації
(GPS).
Бездротові локальні мережі (WLAN) використовують електромагнітні
хвилі для передачі даних у локальному середовищі:
- Wi-Fi — працює на частотах 2,4 ГГц та 5 ГГц, дозволяючи передачу даних
зі швидкістю до кількох Гбіт/с;
- Bluetooth — використовує частоти 2,4-2,485 ГГц для зв'язку на короткі
відстані;

- ZigBee — працює на частотах 868 МГц, 915 МГц і 2,4 ГГц для пристроїв
IoT;
- NFC (Near Field Communication) — використовує частоту 13,56 МГц для
безконтактної комунікації на відстані до 10 см.
Застосування електромагнітних хвиль у медицині є надзвичайно широким,
охоплюючи діагностику та лікування.
Магнітно-резонансна томографія (МРТ) базується на явищі ядерного
магнітного резонансу. Потужне магнітне поле (0,5-7 Тесла) змушує атоми водню
в тканинах людського тіла резонувати. Під час повернення атомів до стану
рівноваги вони випромінюють радіохвилі, які фіксуються датчиками і
перетворюються на тривимірне зображення органів. МРТ дає можливість
отримати детальні знімки м'яких тканин без використання шкідливого
іонізуючого випромінювання.
Рентгенівська діагностика застосовує електромагнітні хвилі з довжиною
від 0,01 до 10 нм для створення знімків внутрішніх структур організму.
Рентгенівські промені, проходячи через тіло пацієнта, поглинаються різними
тканинами з різною інтенсивністю: кістки поглинають більше випромінювання,
ніж м'які тканини, що дозволяє отримати контрастне зображення.
Комп'ютерна томографія (КТ) поєднує рентгенівське випромінювання з
комп'ютерною обробкою даних для створення тривимірних зображень
Арк.
РТ15.025274.248 ПЗ
14
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

внутрішніх органів. Рентгенівська трубка обертається навколо пацієнта, роблячи
серію знімків, які потім обробляються комп'ютером для створення детальних
поперечних зрізів тіла.
Променева терапія використовує іонізуюче випромінювання
(рентгенівські та гамма-промені) для руйнування ракових клітин. Сучасні
методи променевої терапії (наприклад, променева терапія з модульованою
інтенсивністю, IMRT) дозволяють точно спрямовувати дозу випромінювання на
пухлину, мінімізуючи вплив на здорові тканини.
Ультразвукова діагностика хоч і не використовує електромагнітні хвилі (а
звукові хвилі високої частоти), але часто розглядається разом з
електромагнітними методами діагностики. Ультразвук дозволяє безпечно
візуалізувати внутрішні органи, досліджувати кровотік (доплерівське
дослідження) та контролювати розвиток плода під час вагітності.
Лазерна хірургія та терапія базується на використанні когерентного світла
з певною довжиною хвилі. Лазери застосовуються для:
- Офтальмологічних операцій (корекція зору, лікування глаукоми);
- Дерматологічних процедур (видалення татуювань, родимок, лікування
судинних патологій);
- Літотрипсії (руйнування каменів у нирках і жовчному міхурі);
- Фотодинамічної терапії раку (використання фотосенсибілізуючих
препаратів, що активуються світлом).
Електромагнітні хвилі різних діапазонів знаходять численні застосування
в промисловості.
Індукційне нагрівання базується на явищі електромагнітної індукції.
Змінне магнітне поле індукує вихрові струми (струми Фуко) в електропровідних
матеріалах, що призводить до їх нагрівання. Цей метод застосовується для:
- Плавлення металів (індукційні печі можуть досягати температур понад
2000°C);
- Термічної обробки металевих деталей (загартування, відпуск,
нормалізація);
- Пайки та зварювання металевих елементів;
Арк.
РТ15.025274.248 ПЗ
15
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

- Термоусадки (нагрівання термоусадочних матеріалів).
Мікрохвильова обробка матеріалів використовує здатність деяких молекул
(особливо води) поглинати мікрохвильове випромінювання і перетворювати
його на теплову енергію. У промисловості мікрохвилі застосовуються для:
- Сушіння матеріалів (деревини, паперу, кераміки);
- Стерилізації медичних інструментів та продуктів харчування;
- Обробки полімерів (вулканізація гуми, затвердіння композитів);
- Плазмової обробки поверхонь.
Лазерна обробка матеріалів надає можливість високоточної обробки

різних матеріалів. Лазерні технології використовуються для:
- Різання металів, пластиків, скла, тканин, деревини та інших матеріалів;
- Зварювання металів і полімерів;
- Маркування та гравіювання продукції;
- 3D-друку (селективне лазерне спікання, стереолітографія);
- Поверхневої модифікації матеріалів (загартування, легування).
Еліптична поляризація виникає, коли дві взаємно перпендикулярні лінійно
поляризовані хвилі мають або різні амплітуди, або зсув фаз, відмінний від 0, π/2,
π. У цьому випадку кінець вектора електричного поля описує еліпс у площині,
перпендикулярній до напрямку поширення хвилі: E = E₀x cos(ωt - kz) i + E₀y
cos(ωt - kz + φ) j, де φ — зсув фаз між коливаннями вздовж осей x та y.
Неполяризована хвиля (природне світло) — хвиля, в якій напрямок
коливань вектора E змінюється хаотично з високою частотою. Такий стан можна
представити як суперпозицію великої кількості лінійно поляризованих хвиль з
випадковими орієнтаціями і фазами.
Частково поляризована хвиля — стан, проміжний між повністю
поляризованою і неполяризованою хвилями. Частково поляризоване
випромінювання можна представити як суперпозицію повністю поляризованої і
неполяризованої хвиль.
Розсіювання Релея на частинках, розміри яких значно менші за довжину
хвилі, призводить до поляризації розсіяного світла. Цей механізм відповідає за
Арк.
РТ15.025274.248 ПЗ
16
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

поляризацію блакитного неба: сонячне світло, розсіяне молекулами повітря,
частково поляризоване в площині, перпендикулярній до напрямку на Сонце.
Максимальна поляризація спостерігається під кутом 90° до напрямку падаючого
світла.
Тепер поговоримо про застосування поляризації. Принцип роботи РК-
дисплеїв базується на управлінні поляризацією світла за допомогою рідких
кристалів. Типовий LCD-піксель складається з:
- Джерела підсвічування;
- Першого поляризатора;

- Шару рідких кристалів;
- Другого поляризатора (аналізатора);
- Кольорового фільтра.
У вимкненому стані рідкі кристали закручені і повертають площину
поляризації світла на 90°, дозволяючи йому пройти через аналізатор. При подачі
напруги молекули рідкого кристала вирівнюються вздовж електричного поля,
припиняючи обертання площини поляризації, і світло блокується аналізатором.
Для кольорових дисплеїв використовуються RGB-фільтри.
Оптичні ізолятори мають важливе значення в:
- Волоконно-оптичних системах;
- Лазерних системах;
- Оптичних вимірювальних приладах.
Поляризаційні фільтри використовуються для:
- Підвищення контрасту зображення шляхом усунення відблисків від
неметалічних поверхонь;
- Підвищення видимості об'єктів під водою;
- Зменшення розсіяного світла в оптичних системах;
- Фільтрації світла для специфічних застосувань (наприклад, астрономічних
спостережень).
Такі фільтри широко використовуються в фотографії, мікроскопії,
астрономії та системах машинного зору.
Арк.
РТ15.025274.248 ПЗ
17
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

Антени зазвичай проектуються для роботи з певною поляризацією
електромагнітних хвиль:
- Вертикальні антени випромінюють і приймають вертикально поляризовані
хвилі;
- Горизонтальні антени — горизонтально поляризовані хвилі;
- Круговополяризовані антени — хвилі з круговою поляризацією.
Вибір поляризації антен визначається:
- Умовами поширення сигналу (наприклад, вертикальна поляризація краще
для наземного зв'язку);

- Необхідністю зменшення впливу перешкод;
- Необхідністю зменшення багатопроменевого поширення;
- Вимогами до ізоляції між різними каналами зв'язку.
Круговополяризовані антени часто використовуються в супутниковому
зв'язку, оскільки вони менш чутливі до ефектів обертання площини поляризації,
що виникають при проходженні радіохвиль через іоносферу.
Фотопружність (п'єзооптичний ефект) — явище виникнення подвійного
променезаломлення в ізотропних матеріалах під дією механічних напружень. Це
явище використовується для аналізу розподілу напружень у прозорих моделях
конструкцій:
1. Модель поміщається між поляризатором і аналізатором;
2. При відсутності напружень (ізотропний стан) модель не впливає на
поляризацію світла;
3. При наявності напружень матеріал стає анізотропним, що
призводить до появи інтерференційних картин;
4. Ці картини (ізохроми) дозволяють визначити величину і напрямок
головних напружень.
Оптичні датчики напруження використовуються в:
- Інженерному аналізі конструкцій;
- Контролі якості скляних виробів;
- Дослідженні розподілу напружень у прозорих полімерах;
Арк.
РТ15.025274.248 ПЗ
18
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

- Моніторингу стану будівельних конструкцій.
Поляриметрія — метод вивчення оптично активних речовин, здатних
обертати площину поляризації світла.
Поляриметрія використовується для:
- Визначення концентрації цукрів у розчинах;
- Аналізу ліків і біологічно активних речовин;
- Контролю якості продуктів харчування;
- Дослідження структури білків та інших біомолекул.

1.4 Поляризація електромагнітних хвиль і її застосування

Поляризація електромагнітних хвиль – явище, яке характеризує
просторову орієнтацію коливань електричного вектора в електромагнітній хвилі.
У загальному випадку, електромагнітна хвиля складається з осцилюючих
електричного та магнітного полів, які перпендикулярні одне одному та напрямку
поширення хвилі. Вектор електричного поля може коливатися в будь-якій
площині, перпендикулярній напрямку поширення хвилі.
Залежно від характеру зміни напрямку вектора електричного поля з часом
розрізняють такі типи поляризації:
1. Лінійна поляризація: вектор електричного поля коливається вздовж
однієї прямої лінії. При цьому амплітуда коливань може змінюватися, але
напрямок залишається незмінним.
2. Колова поляризація: кінець вектора електричного поля описує коло
в площині, перпендикулярній напрямку поширення хвилі. Розрізняють
правостороннє та лівостороннє обертання.
3. Еліптична поляризація: кінець вектора електричного поля описує
еліпс у площині, перпендикулярній напрямку поширення хвилі. Еліптична
поляризація є найбільш загальним випадком.
Арк.
РТ15.025274.248 ПЗ
19
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

Природне світло, яке випромінюється більшістю джерел (Сонце, лампи
розжарювання, тощо), є неполяризованим, тобто вектор електричного поля в
ньому змінює свій напрямок хаотично.
Існує кілька основних методів отримання поляризованого
випромінювання:
1. Поляризація при відбитті та заломленні – коли електромагнітна
хвиля проходить через межу поділу двох середовищ, відбувається часткова
поляризація відбитого та заломленого променів. При падінні світла під кутом
Брюстера відбитий промінь буде повністю лінійно поляризованим.
2. Поляризація при подвійному променезаломленні – при
проходженні світла через анізотропні кристали (наприклад, кальцит, кварц)
відбувається поділ

променя на два, кожен з яких лінійно поляризований в різних площинах.
3. Поляризація при поширенні через дихроїчні матеріали – деякі
матеріали мають здатність селективно поглинати електромагнітні хвилі з певною
поляризацією. Наприклад, поляроїдні плівки пропускають лише хвилі з певною
орієнтацією вектора електричного поля.
4. Поляризація при розсіюванні – при розсіюванні електромагнітних
хвиль на частинках, розміри яких менші за довжину хвилі, розсіяне
випромінювання стає частково поляризованим.
Математично поляризація може бути описана за допомогою вектора
Джонса або матриці Мюллера. Вектор Джонса представляє амплітуду і фазу
електричного поля у двох перпендикулярних напрямках, а матриця Мюллера
описує перетворення параметрів Стокса при взаємодії поляризованого світла з
різними оптичними елементами.
Параметри Стокса (S₀, S₁, S₂, S₃) широко використовуються для опису
поляризаційних станів електромагнітних хвиль. Вони пов'язані з інтенсивністю
хвилі та ступенем її поляризації.
Поляризація електромагнітних хвиль знаходить широке застосування в
різних галузях науки і техніки:
Арк.
РТ15.025274.248 ПЗ
20
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

1. Оптика та фотоніка:
- Поляризаційні фільтри для усунення відблисків та підвищення
контрастності зображення;
- 3D-кінотехнології, що використовують різні типи поляризації для
лівого та правого ока;
- Оптичні ізолятори та циркулятори, які забезпечують
односпрямоване проходження світла;
- Поляриметрія – метод вимірювання оптичної активності речовин.
2. Телекомунікації та радіотехніка:
- Поляризаційне мультиплексування для збільшення пропускної
здатності каналів зв'язку;
- Поляризаційні антени для підвищення якості прийому радіосигналів;
- Супутниковий зв'язок з використанням різних типів поляризації для
передачі незалежних сигналів;
- Радіолокаційні системи з поляриметричним аналізом для
ідентифікації об'єктів.
3. Матеріалознавство та промисловість:
- Неруйнівний контроль напружень у прозорих матеріалах
(фотопружність);
- Контроль якості оптичних покриттів;
- Аналіз структури кристалів;
- Вимірювання концентрації оптично активних речовин у розчинах.
4. Медицина та біологія:
- Поляризаційна мікроскопія для дослідження анізотропних
біологічних структур;
- Оптична когерентна томографія з поляризаційною чутливістю;
- Аналіз структури біологічних тканин;
- Визначення концентрації цукру в крові за допомогою поляриметрії.
5. Атмосферні та космічні дослідження:
- Дистанційне зондування атмосфери та земної поверхні;
- Вивчення структури космічних об'єктів;
Арк.
РТ15.025274.248 ПЗ
21
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

- Аналіз складу атмосфери інших планет;
- Дослідження космічного мікрохвильового фонового
випромінювання.
Поляризація електромагнітних хвиль є фундаментальним явищем, яке має
велике значення як для фундаментальної науки, так і для багатьох прикладних
галузей. Розуміння принципів поляризації та вміння керувати поляризаційними
станами електромагнітних хвиль відкриває широкі можливості для розвитку
нових технологій та вдосконалення існуючих методів у різних сферах людської
діяльності.
2. ВИКОРИСТАННЯ LABVIEW ДЛЯ МОДЕЛЮВАННЯ
ФІЗИЧНИХ ПРОЦЕСІВ

LabVIEW є потужною, платформо-незалежною, системою графічного
програмування, яка ідеально підходить для збору, зберігання, аналізу та
презентації даних. Це програмне середовище, яке відповідає промисловим
стандартам та широко використовується для вимірювань та автоматизації.
LabVIEW допомагає поєднати існуючий освітній апаратний інвентар з
віртуальним приладобудуванням економічним способом.
Фактичні демонстраційні експерименти особливо важливі в світі, де все
складніше відрізнити реальне від віртуального середовища. Використання
LabVIEW як корисного інструмента для покращення демонстраційних
експериментів на лекціях з “Технічної електродинаміки” має наступні причини:
- швидка реалізація вимірювань під час демонстраційних експериментів та
зменшена потреба в побудові спеціального обладнання;
- легкі модифікації, швидкий доступ та практичне зберігання на диску ПК.
Дуже важливою частиною фізичної освіти є лабораторні експерименти
студентів, де студенти проводять власні експерименти. Досвід проведення
експерименту, спостереження, вимірювання та збору даних є суттєвим для
глибокого та ретельного розуміння фізичних процесів. Проводячи лабораторні
експерименти, студенти вивчають експериментальні техніки та починають
розуміти внутрішні обмеження точності при вимірюванні відповідних
Арк.
РТ15.025274.248 ПЗ
22
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

параметрів. Різні типи датчиків використовуються для відстеження та
вимірювання змінних під час лабораторного експерименту студента. LabVIEW у
цій сфері з наступних основних причин:
- відповідне використання приладів на його основі для отримання сигналів
дає студенту більше часу для спостереження та дослідження фізичних процесів;
- можливість модифікувати та адаптувати, а також універсальність
віртуального приладобудування, заощаджує час та кошти, і дозволяє присвятити
ці зекономлені ресурси на велику кількість окремих експериментів.
Дослідження певних фізичних механізмів шляхом числового
моделювання, тобто симуляція природи шляхом застосування законів фізики до
віртуальних процесів, стає все більш важливим. Метод може привести до
розуміння загального впливу коли специфічні параметри селективно
модифікуються. Якщо параметри можуть бути змінені та налаштовані
інтерактивно, поки їх вплив на дану систему візуалізується, студент може
отримати розуміння процесу, спостерігаючи за ефектом змін.
Приклади використання LabVIEW з демонстраційними експериментами
Демонстрація та аналіз теплопровідності
Теплопровідність є фундаментальним процесом у природі та ілюструє
фізику всіх дифузійних процесів. Для ілюстрації розподілу температури в
одному вимірі, 16 невеликих отворів були просвердлені на рівних відстанях у
твердому мідному стержні діаметром 5 мм. Особлива увага була приділена
припиненню свердління за 2 мм до повного просвердлення стержня. 16
високотемпературних резисторів PT-100 з термозахищеними дротами були
розміщені в кожному отворі та запечатані теплопровідною пастою. Кінці
проводів були прикріплені до спеціально сконструйованої підставки, яка тримає
термічно ізольований мідний стержень та проводи до резисторів PT-100.
Перетворювачі 4-20 мА збуджують PT-100 термічні резистори та модулюють
напругу, яка пропорційна фактичній температурі в кожному місці на стержні. Всі
16 напруг підбираються комп'ютером для збору та відображення даних.
Експериментальна установка показана на рис. 2.1.
Арк.
РТ15.025274.248 ПЗ
23
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

Для проведення експерименту пальник Бунзена запалюється в одному
конкретному місці під мідним стержнем і спостерігається процес
теплопровідності. Температури будуть швидко підвищуватися, і як тільки датчик
PT-100 над полум'ям досягне значення 200 ◦C, полум'я гаситься. Рис. 2.2 показує
дисплей LabVIEW безпосередньо перед гасінням полум'я. Після цього система
поводитиметься згідно з законом теплопровідності (один вимір, без джерел).

Рисунок 2.1 - Підвіска мідного стержня та вимірювання температури

Арк.
РТ15.025274.248 ПЗ
24
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

Рисунок 2.2 - Профіль температури в стержні перед гасінням полум'я.

Джерело тепла позначено помаранчевим трикутником

Арк.
РТ15.025274.248 ПЗ
25
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

Рисунок 2.3 - Чотири стадії розподілу тепла після гасіння полум'я.
Розташування резисторів PT-100, значення яких використовуються в
розрахунках, позначені червоним квадратом

Чотири стадії теплового потоку в стержні ілюстровані на рис. 2.3. Дуже
повчально спостерігати часову еволюцію температур вздовж мідного стержня.
Поступове розширення розподілу точно видиме, з гарячими регіонами, що
охолоджуються, поки температури далі все ще підвищуються. Кривизна та
еволюція її форми забезпечують візуальне розуміння диференціального рівняння
у частинних похідних, яке описує теплопровідність, та дифузію загалом. Під час
демонстрації програма накопичує серію вимірювань температури з вибірки
трьох рівномірно розташованих термодатчиків кожні п'ять секунд. Три червоні
квадрати (рис. 2.3) блимають коротко, щоб вказати де та коли ці температури
записуються. Після збору 10 наборів з 3 показань температури, значення
використовуються для обчислення диференціалів, чисельно апроксимуючи
диференціальне рівняння термічної дифузивності (2.1):

λ
���� ≐ (2.1)
cϱ
Верхня рамка рис. 2.4 показує перші п'ять стовпчиків показань
температури. Рамка внизу перераховує обчислені значення для першої та другої
просторової похідної згідно з формулами в лівостороннім стовпці. Остання
рамка відображає значення двох сусідніх стовпців попередньої рамки, таким
чином представляючи значення другої просторової похідної в моменти часу між
читаннями.
Арк.
РТ15.025274.248 ПЗ
26
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

Рисунок 2.4 - Таблиця значень та цифр

Рисунок 2.5 - Графік та лінійна апроксимація

Друга лінія в рамці 3 рис. 2.4 дає часову похідну температури.
Співвідношення між часовими похідними та другими просторовими похідними
в конкретному місці (центральний датчик) та в будь-який конкретний час
представляють значення для термічної дифузивності ����. Рис. 2.5 демонструє, що
Арк.
РТ15.025274.248 ПЗ
27
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

співвідношення приблизно постійне, і ми знаходимо, за допомогою лінійної
регресії нахил 1,25 · 10−4 м2/с. Термічна дифузивність стержня добре
порівнюється з такою для міді (1,14 · 10−4 м2/с).
Видимі акустичні сигнали
Стандартні аудіопорти ПК, обладнаного додатковою звуковою картою,
можуть використовуватися для отримання звукових сигналів та їх перегляду як
у часових, так і в частотних областях. Більш детальний аналіз отриманих
звукових сигналів з користувацькими частотами вибірки може бути виконаний з
відповідною платою DAQ. Здатність LabVIEW безперервно вибирати сигнал у
часі, одночасно чисельно обчислюючи швидке перетворення Фур'є, дозволяє
онлайн-графікування у часі частотних спектрів таких як сонограма. Спостерігати
еволюцію частотного вмісту акустичного сигналу ймовірно є найбільш

всеосяжним способом отримання фундаментального розуміння
аналітичного перетворення сигналів в іншу область. Просто дивитися на сигнал,
який змінюється в часі, - це одне, але якщо можна одночасно слухати сигнал у
часовій області та спостерігати той самий сигнал у частотній області, це дуже
повчально. Неможливість збільшити як роздільну здатність у частоті, так і в часі
може бути продемонстрована шляхом виконання звукового аналізу та
спостереження того, як зміна певних параметрів впливає на результати.
Арк.
РТ15.025274.248 ПЗ
28
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

Рисунок 2.6 - Пилкоподібна осциляція, модульована трикутною функцією
в сонограмі.

Для ілюстрації деяких аспектів, згаданих вище, показано сонограму в
реальному часі в діаграмі інтенсивності LabVIEW. Після деякого часу
візуального спостереження потім відтворюється звук, який генерує сонограму.
Також створюються синтезовані сигнали, які є періодичними в часі, і одночасно
спостерігаємо результати в частотній області. Приклад трикутної осциляції,
модульованої пилкоподібною функцією, показано на рис. 2.6.

Арк.
РТ15.025274.248 ПЗ
29
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

Рисунок 2.7 - Диск Ейлера в стані обертання.

В іншому прикладі записується акустичний сигнал від обертового диска
Ейлера з помірною частотою вибірки. Рис. 2.7 показує диск в дії. Процес
обертання диска Ейлера об'єднує різні аспекти обертальної механіки складним
способом, але записуючи звук обертового диска та пізніше перетворюючи цей
сигнал у частотну область, ми можемо отримати краще розуміння енергії та сил,
які змушують диск механічно обертатися так довго. Диск Ейлера є одним із
небагатьох прикладів у механіці, де нескінченність досягається за скінченний
час. Можна показати, що частота обертання прискорюється до нескінченності.
Після того, як вручну запустили диск, давши йому бічний поштовх при
відпусканні його з бічного положення, починаємо отримувати акустичний
сигнал з мікрофоном. Вся фаза обертання записується, даючи один єдиний
безперервний сигнал, який зберігається в файлі. Після отримання можна зчитати
сигнал з файлу, досліджуючи його частотну поведінку в часі. Перетворення
виконується користувацькими JTFA (об'єднаний часо-частотний аналіз)
алгоритмами шляхом застосування визначених користувачем параметрів, таких
як частота вибірки, довжини вікон та кількість частотних відрізків. Мета -
отримати спектрограму з оптимальною роздільною здатністю в часі та частоті.
Приклад типового вимірювання аналітичного результату повної події обертання
показано на рис. 2.8.

Рисунок 2.8 - Типова спектрограма одиночної події обертання диска
Ейлера, що показує прискорення частоти до нескінченності за скінченний час.

Ілюстрація механізму електричної провідності
Транспорт електронів у даному матеріалі приблизно описується законом
Ома. У напівпровіднику при вищій температурі вивільняється більше вільних
електронів, і провідність збільшується. З іншого боку, атоми вібрують сильніше,
і електрони рухаються менш вільно, ефект, який зменшує провідність.
Провідність сильно змінюється тепловими ефектами в даному матеріалі. Для
чіткої демонстрації двох крайніх випадків транспорту заряду в провіднику та
випадку приблизно омічного провідника відстежуються характеристики струм
проти напруги для трьох різних типів провідних матеріалів. Резистор, який
кондиціонований показувати приблизно лінійні характеристики в зазначеному
діапазоні напруги, лампа з вугільною ниткою та лампа з металевою ниткою,
обидві починають світитися, коли напруга підвищується. Три типи резисторів

Арк.
РТ15.025274.248 ПЗ
30
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

показані на рис. 2.9. Характеристики відображаються на великому проекційному
екрані прямо над експериментом, дозволяючи студентам чітко пов'язати
видимий стан нагрівання з миттєвим відстеженням. Результат проходження
через три типи характеристик резисторів можна легко порівняти і дозволяє
стисле пояснення процесів, відповідальних за два різні ефекти провідності. З
діаграми чітко видно, що лінійні характеристики Ома - це лише спеціальний
випадок. Вихід LabVIEW цього демонстраційного експерименту ілюстрований
на рис. 2.10.

Рисунок 2.9 - Три резистори: вугільна нитка (ліворуч), омічний резистор та
металева нитка (праворуч).

Арк.
РТ15.025274.248 ПЗ
31
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

Рисунок 2.10 - Три характеристики резисторів після онлайн-вимірювання.

Отримання спектру Комптона
Один з найважливіших експериментів, який привів до розуміння того, що
електромагнітні хвилі також мають властивості частинок, - це знаменитий
експеримент розсіювання Комптона. Експеримент був вперше проведений у
1923 році та сильно підтримав гіпотезу Ейнштейна про квантові електромагнітні
хвильові пакети з енергією Eph, добутком постійної Планка h та частоти f. З
формулою Ейнштейна принципу еквівалентності можливо призначити фотону
масу і таким чином імпульс. В експерименті Комптона фотони розсіюються
електронами, ніби вони мали масу. З цього ефекту виводиться характеристична
довжина хвилі Комптона.
Для демонстрації цього ефекту та пояснення концепції багатоканального
аналізатора була побудована установка з радіоактивним джерелом 22Na та двома
діаметрально розташованими лічильниками сцинтиляції NaI. Лічильники здатні
виявляти окремі фотони, вказуючи їх енергію.
Арк.
РТ15.025274.248 ПЗ
32
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

Рисунок 2.11 - Експеримент Комптона: Два лічильники NaI та джерело 22Na
між ними.

Фотони взаємодіють з матеріалом NaI, створюючи слабкі спалахи світла з
інтенсивністю, пропорційною енергії фотона. Спалахи виявляються та
підсилюються фотопомножувальною трубкою та підсилюються. Джерело 22Na
випромінює позитрони, які анігілюються з електронами навколишнього
матеріалу, кожен створюючи два фотони або гамма-кванти, які випромінюються
в точно протилежних напрямках. За допомогою електронного блоку збігів
вибираються лише ті фотони, які є результатом анігіляції позитрон-електрон.
Розподіл енергії імпульсів одного з лічильників представляє характеристичний
спектр Комптона. Для аналізу висот імпульсів запускаються аналогові вхідні
канали плати DAQ імпульсами збігів через схему затримки, встановлену з
затримкою для досягнення одного перетворення даних на вершині кожного
енергетичного піку. Для кожного нового вхідного значення висоти імпульсу

Арк.
РТ15.025274.248 ПЗ
33
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

LabVIEW масштабує напругу підсилювача до енергії в keV та оновлює
гістограму розподілу енергії, щоб показати спектр у міру його розвитку та
побудови. Експериментальна установка та спосіб представлення вимірювань
показані на рис. 2.11. Рис. 2.12 показує вихід багатоканального аналізатора
LabVIEW з курсором, встановленим на краї Комптона.

Рисунок 2.12 - Відображення передньої панелі багатоканального
аналізатора LabVIEW, що показує розподіл енергії.

Гарною причиною для програмного моделювання або моделювання
фізичних властивостей, на відміну від проведення традиційного експерименту у
фізиці, є можливість взаємодії та досліджень параметрів. Це велика перевага для
студента, якщо він може інтерактивно досліджувати модель, яка створює деякий
графічний вихід, змінюючи параметри та спостерігаючи, як зміни впливають на
модель. LabVIEW з усіма його елементами, що дозволяють інтерфейси
користувача, є ідеальним інструментом для виробництва такого програмного
забезпечення. Це програмне забезпечення може бути розповсюджене для
Арк.
РТ15.025274.248 ПЗ
34
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

завантаження студентам як доповнення до занять. Воно дозволяє отримати
краще розуміння фундаментальних законів фізики. Фундаментальні концепції у
фізиці - це коливання та хвилі. Їх поведінка відповідає за велику різноманітність
явищ у природі.

Рисунок 2.13 - Суперпозиція гармонічних коливань "Синтез Фур'є"

LabVIEW, як інтерактивне програмне забезпечення, є зручним методом
знайомства з властивостями хвиль та коливань. Можливо охопити більшість тем
“Технічної електродинаміки”. Наприклад:
- Коливання загалом: Анімація руху деяких гармонічних осциляторів;
- Синусоїдальні коливання: Три фундаментальні параметри, які
характеризують гармонічні коливання: амплітуда, частота та фаза;
- Суперпозиція: Деякі приклади ефектів, спричинених суперпозицією
гармонічних хвиль;
- Частотний аналіз: Періодичні коливання в часовій та частотній областях
(швидке перетворення Фур'є);
Арк.
РТ15.025274.248 ПЗ
35
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

- Дифракція: Моделювання інтерференційних шаблонів, які виникають,
коли світло проходить через діафрагми з однією або кількома вузькими
щілинами;
- Відбиття: Коротка інтерактивна демонстрація основного принципу
повного відбиття.
Графічні дисплеї показують анімації та компоненти інтерфейсу
користувача, такі як ручки, повзунки, числові входи, перемикачі. Графіки
дозволяють варіацію параметрів під час спостереження ефекту на дисплеї.
Макети зберігаються особливо простими, таким чином залишається здатність
зосередитися на найважливіших фундаментальних аспектах конкретної теми.
Рис. 2.13 показує панель "Синтезу Фур'є" в розділі "Суперпозиція", де
фундаментальна синусоїда та суперпозиція хвиль вищого порядку формують
прямокутну функцію. Кілька основних функцій можуть бути синтезовані. Звук
результуючої хвилі може бути почутий за допомогою комп'ютерного
гучномовця, коли додається інша частота.
LabVIEW™ є потужним середовищем для розробки програмного
забезпечення. Вона широко використовується для керування приладами, збору
даних та аналізу даних. Це універсальний інструмент для використання у
фізичній освіті. Графічний спосіб програмування LabVIEW дозволяє швидку та
ефективну розробку надійних, керованих користувачем програм для
вимірювання, аналізу, візуалізації даних, як слідує:
- керування демонстраційними експериментами для отримання сигналів та
їх онлайн-відображення,
- допомога в реалізації спеціального приладобудування для лабораторних
експериментів студентів,
- можливість створювати інтерактивні програми моделювання у
відповідних випадках.
Таким чином можна заощадити в кілька разів витрати, які можуть
витратитись інакше на спеціальне обладнання.
3. МОДЕРНІЗАЦІЯ ВІРТУАЛЬНОГО СТЕНДУ ДЛЯ ДОСЛІДЖЕННЯ
ПОЛЯРИЗАЦІЇ ЕЛЕКТРОМАГНІТНОЇ ХВИЛІ Арк.
РТРТ1155.0.02255274.248 ПЗ Арк.
274.248 ПЗ
363 7
ЗмЗнм. н. АрАкр. к. №№ до дкоукму.м . ПіПдпідипси с ДаДтаат а

3.1 Створення допоміжних віртуальних приладів для дослідження
поляризації електромагнітної хвилі

У плоскій електромагнітній хвилі величина і напрям вектора Е в площині
фазового фронту можуть мінятися достатньо складним чином. При цьому
говорять про поляризацію хвилі. Для вивчення поляризації електромагнітної
хвилі пропонується модернізувати віртуальну лабораторну установку для
дослідження різних видів поляризації.
Як і в установці-прототипі, модернізований віртуальний стенд повинен
формувати поле довільної поляризації і моделювати автоматичне вимірювання
поляризації методом лінійно поляризованої антени.
Для структуризації програми підготуємо ряд допоміжних віртуальних
інструментів - СУБВІ.
При введенні і виведенні кутових величин загальноприйнятою одиницею
вимірювання є градуси. Проте при програмуванні завдань оперують кутами в
радіанах. Створимо прості СУБВІ для перетворення кутових величин.
СУБВІ «Градуси в радіани»
Створимо в LabVIEW новий прилад, вибравши команди меню File  New
VI. Створюємо лицьову панель СУБВІ. Для цього помістимо на лицьову панель
з палітри Controls  Numeric цифровий регулятор і цифровий індикатор. Дамо
їм мітки «Градуси», «Радіани» (рис.3.1,а).
Перейдемо у вікно структурної схеми (рис.3.1,б). Помістимо у вікно з
палітри Functions  Numeric оператор множення Multiply, оператор ділення
Divide і цифрову константу Numeric Constant із значенням 180.

З палітри Functions  Numeric  Additional Numeric Constants
помістимо у вікно структурної схеми константу  . Монтажним інструментом
з'єднаємо термінали на структурній схемі (рис. 3.1,б).

а) б)
Рисунок 3.1 – СУБВІ «Градуси в радіани»
а) лицьова панель; б) блок-схема

Відкоректуємо ікону СУБВІ, напис в іконі відображає виконувані операції.
У вікні лицьової панелі перейдемо від ікони до з'єднувача (Shov Connector)
(рис.3.1,а). Монтажним інструментом зіставимо контакти з'єднувача з
регулятором і індикатором на лицьовій панелі. Збережемо СУБВІ, давши йому
ім'я «Градуси в радіани».
СУБВІ - «Радіани в градуси»
Створимо в LabVIEW новий прилад, вибравши команди меню File  New
VI. Помістимо на лицьову панель з палітри Controls  Numeric цифровий
регулятор і цифровий індикатор. Дамо їм мітки «Радіани», «Градуси» (рис. 3.2,а).
Перейдемо у вікно структурної схеми. Помістимо у вікно з палітри
Functions  Numeric оператор множення Multiply, оператор ділення Divide і
цифрову константу Numeric Constant із значенням 180. З палітри Functions 
Numeric  Additional Numeric Constants помістимо у вікно структурної схеми
Арк.
РТ15.025274.248 ПЗ 38
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

константу  . Монтажним інструментом з'єднаємо термінали на структурній
схемі (рис.3.2,б).
Відкоректуємо ікону СУБВІ, напис в іконі відображає виконувані операції.
У вікні лицьової панелі перейдемо від ікони до з'єднувача (Shov Connector)
(рис.3.2,а). Монтажним інструментом зіставимо контакти з'єднувача з
регулятором і індикатором на лицьовій панелі.
Збережемо СУБВІ, давши йому ім'я «Радіани в градуси».

а) б)
Рисунок 3.2 – СУБВІ «Радіани в градуси»
а) лицьова панель; б) блок-схема

СУБВІ - «Генератор поляризації»
Відповідно до виразу (1.1) і природним положенням осей на екрані
індикатора говоритимемо про горизонтальну складову

E (t) = E гор
x m cos(t +гор ) (3.1)

і вертикальну складову поля
Арк.
РТ15.025274.248 ПЗ 39
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

E верт
н (t) = Em cos(t +верт ) . (3.2)

Створимо СУБВІ, що дозволяє формувати поле довільної поляризації,

спостерігати годограф вектора E цього поля на екрані, вимірювати параметри
еліпса поляризації і який формує величини, необхідні для моделювання
вимірювань.
Створимо в LabVIEW новий прилад, вибравши команди меню File  New
VI. Створюємо лицьову панель СУБВІ. Помістимо зліва на лицьову панель з
палітри Controls  Numeric шість цифрових регуляторів і дамо їм відповідні
мітки (рис. 3.3).
Арк.
РТ15.025274.248 ПЗ 40
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

Рисунок 3.3 – Лицьова панель СУБВІ «Генератор поляризації»

Міточним інструментом трьом парам регуляторів дамо назви:
«Вертикальна складова», «Горизонтальна складова», «Вимірювач параметрів
еліпса» (рис.3.3). З палітри Controls  Graph візьмемо графічний індикатор XY
Graph і помістимо його на лицьову панель. У мітку індикатора внесемо напис
«Поляризаційний еліпс». Помістимо вище за графічний індикатор на лицьову
панель з палітри Controls  Numeric цифровий регулятор і назвемо його
«Підсилення». Він регулюватиме розмір зображення на екрані індикатора.
Для моделювання вимірювань нам буде потрібно: амплітуда вертикальної
складової, амплітуда горизонтальної складової, косинус різниці фаз
Арк.
РТ15.025274.248 ПЗ 41
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

горизонтальної і вертикальної складових поля. Помістимо на лицьову панель під
екраном індикатора з палітри Controls Numeric три цифрові індикатори і дамо
їм відповідні мітки (рис. 3.3).
Перейдемо у вікно структурної схеми Block Diagram. Перемістимо
термінали регуляторів, що задають вхідні параметри, до лівого краю вікна
(рис.3.4). З палітри Functions  Analyze  Signal Processing  Signal
Generation візьмемо і помістимо у вікно структурної схеми три генератори Sine
Pattern.vi. Цей СУБВІ видає масив значень синуса в заданому числі точок.

Рисунок 3.4 – Блок-схема СУБВІ «Генератор поляризації»

Помістимо на структурну схему з палітри Functions  Numeric дві
цифрові константи Numeric Constant із значеннями 1024 і 128. Монтажним
інструментом під'єднаємо першу (1024) до відповідного терміналу двох Sine
Pattern.vi, а другу (128) - до третього Sine Pattern.vi. Ці СУБВІ формуватимуть
сигнали вертикальної, горизонтальної складових і вектор вимірювача параметрів
еліпса відповідно. До відповідних входів генераторів складових поля приєднаємо
регулятори амплітуд і фаз.
З палітри Functions  Numeric візьмемо два оператори множення
Multiply. На один вхід операторів множення подаємо масиви сигналів складових
поля, до іншого під'єднуємо регулятор «Підсилення». З палітри Functions 
Cluster вибираємо оператор Bundle і переносимо його у вікно структурної схеми.
Виходи операторів множення сполучаємо з входами оператора Bundle. З палітри
Functions  Numeric беремо оператор віднімання Subtract, на його входи
підключаємо фази компонент. З палітри Functions вибираємо Select а VI. З вікна,
що відкрилося, двічі поміщаємо у вікно структурної схеми створений нами
СУБВІ: «Градуси в радіани». З палітри Functions  Matematic  Trigonometric
візьмемо оператора косинуса Cosine.
Монтажним інструментом з'єднаємо їх термінали на структурній схемі, до
ним же під'єднаємо термінали цифрових індикаторів (рис. 3.4).
Помістимо на структурну схему з палітри Functions  Numeric дві
цифрові константи Numeric Constant із значеннями 1 і 0. Монтажним
інструментом під'єднаємо їх до третього Sine Pattern.vi (рис. 3.4). З палітри
Functions  Numeric беремо оператор модуля Absolute Value, під'єднуємо його
до виходу Sine Pattern.vi. З палітри Functions  Numeric беремо два оператора
множення Multiply. З палітри Functions  Numeric  Complex беремо
оператори Polar to Complex і Complex to Re/Im. З палітри Functions  Cluster
вибираємо оператор Bundle і переносимо його у вікно структурної схеми.
Монтажним інструментом з'єднаємо термінали на структурній схемі (рис.3.4).
Арк.
РТ15.025274.248 ПЗ 42
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

З палітри Functions  Array вибираємо оператор побудови масиву Build
Array і переносимо його у вікно структурної схеми. Монтажним інструментом
сполучаємо операторів Bundle і Build Array між собою і з терміналом індикатора
XY Graph (рис. 3.4). Тепер на екрані індикатора XY Graph відображатимуться
два графічні об'єкти: еліпс поляризації поля, що генерується, і вектор, який
виходить з початку координат. Модуль і кут вектора регулюються. Підводячи
кінець вектора до точок на еліпсі поляризації, визначаємо їх полярні координати.
Відкоректуємо ікону СУБВІ, напис в іконі відображає виконувані операції.
У вікні лицьової панелі перейдемо від ікони до з'єднувача (Shov Connector)
(рис.3.3). Монтажним інструментом зіставимо контакти з'єднувача з
регулятором і індикатором на лицьовій панелі. Збережемо СУБВІ, давши йому
ім'я «Генератор поляризації».
СУБВІ «Вимірювач автомат»
Даний СУБВІ моделює автоматичне вимірювання поляризаційної
характеристики методом лінійно поляризованої антени [2].
Створимо в Lab VIEW новий прилад, вибравши команди меню File  New
VI. Помістимо на лицьову панель з палітри Controls  Numeric чотири цифрові
регулятори і дамо їм мітки «Амплітуда вертикальна», «Амплітуда
горизонтальна», «Косинус (Фаза горизонт-вертикал)» і «Підсилення» (рис. 3.5).
Перші три з них надалі набуватимуть свого значення від СУБВІ «Генератор
поляризації». Регулятор «Підсилення» дозволить змінювати масштаб
зображення на екрані, роблячи його зручнішим для спостереження.
З палітри Controls  Graph візьмемо графічний індикатор XY Graph і
помістимо його на лицьову панель. У мітку індикатора внесемо напис
«Поляризаційна характеристика». Міточним інструментом задамо розмах обох
шкал екрану від -200 до 200.
Перейдемо у вікно структурної схеми. З палітри Functions  Structures
вибираємо оператора циклу For Loop. Помістивши його у вікно структурної
Арк.
РТ15.025274.248 ПЗ 43
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

схеми, розтягуємо рамку і міточним інструментом задаємо число його виконань,
рівне 180. Помістимо оператора множення Multiply і цифрову константу Numeric
Constant із значенням 2 поряд з лічильником циклу i в лівому нижньому кутку
циклу For Loop.

Рисунок 3.5 – Лицьова панель СУБВІ «Вимірювач автомат»

З'єднаємо їх монтажним інструментом відповідно до схеми (рис. 3.6). Цим ми
організували цикл по куту від 0 до 360° з кроком 2°. Помістимо в рамку циклу
For Loop з палітри Functions  Numeric дев'ять операторів множення Multiply,
два оператори підсумовування Add, оператора знаходження квадратного кореня
Square Root і цифрову константу Numeric Constant із значенням 2.
З палітри Functions  Matematic  Trigonometric візьмемо оператора Sine
& Cosine. З палітри Functions вибираємо Select а VI. З вікна, що відкрилося,
Арк.
РТ15.025274.248 ПЗ 44
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

поміщаємо у вікно структурної схеми створений нами СУБВІ: «Градуси в
радіани». Розмістимо зручніше всі ці елементи в рамці циклу і монтажним
інструментом з'єднаємо термінали (рис. 3.6). Вхідні параметри проходять в тіло
циклу через тунелі, які утворюються при русі через границю монтажного
інструменту.

Рисунок 3.6 – Структурна схема СУБВІ «Вимірювач автомат»

Відмітимо, що усередині циклу виконуються такі ж операції, що і в схемі
СУБВІ «Вимірювач ручний». Відмінність полягає в тому, що кут не вводиться
ззовні, а формується в циклі. Крім того, на виході циклу утворюються два масиви
Um ( )sin  і Um ( )cos , які використовуються для побудови зображення на
індикаторі XY Graph.
Арк.
РТ15.025274.248 ПЗ 45
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

Помістимо у вікно структурної схеми вище за оператора циклу з палітри
Functions  Numeric два оператори множення Multiply. З палітри Functions 
Cluster вибираємо оператора Bundle і переносимо його у вікно структурної
схеми. Монтажним інструментом з'єднаємо термінали на структурній схемі,
подаючи сигнал регулятора «Підсилення» на один з входів кожного оператора
множення (рис. 3.6).
Відкоректуємо ікону СУБВІ, напис в іконі відображає виконувані операції.
У вікні лицьової панелі перейдемо від ікони до з'єднувача (Shov Connector) (рис.
3.5). Монтажним інструментом зіставимо контакти з'єднувача з регуляторами і
індикаторами на лицьовій панелі. Збережемо СУБВІ, давши йому ім'я
«Вимірювач автомат».
Арк.
РТ15.025274.248 ПЗ 46
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

3.2 Віртуальний прилад для дослідження поляризації поля

Створимо в Lab VIEW лабораторну установку, вибравши команди меню
File  New VI. Створюємо лицьову панель ВІ.
Вище за всі регулятори в декоративному елементі Horizontal Button Box,
узятому в палітрі Decorations, помістимо міточным інструментом заголовок
«Дослідження поляризації плоскої хвилі». Правіше, узявши з палітри Boolean,
помістимо кнопку останову Stop Button (рис. 3.7).

Рисунок 3.7 – Лицьова панель ВП «Поляризація поля».
Сторінка «Генератор поля»

Арк.
РТ15.025274.248 ПЗ 47
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

З палітри Controls  Containers візьмемо елемент управління Tab Control
і помістимо його на лицьову панель. Розтягнемо його межі на весь екран.
Міточним інструментом внесемо у обидві сторінки цього елементу їх мітки:
«Генератор поля», «Поляризаційна характеристика». Формування цих сторінок
лицьової панелі багато в чому схоже з формуванням панелей СУБВІ «Генератор
поляризації» і «Вимірювач автомат».
Відкриємо сторінку «Генератор поля».
На сторінці в декоративному елементі Horizontal Button Box, узятому в
палітрі Decorations, помістимо міточним інструментом заголовок «Генератор
поля довільної поляризації».
Для того, щоб віртуальна установка працювала в двох режимах,
дозволяючи задавати лінійну або обертову поляризацію, створимо перемикач
режимів. З палітри Boolean помістимо на лицьову панель перемикач Horizontal
Toggle Switch і два світлодіодні індикатори Round LED.
Привласнимо перемикачу мітку «Вид поляризації», а індикаторам - мітки
«Лінійна» і «Обертова». Нижче на лицьовій панелі з палітри Numeric
перемістимо на лицьову панель два регулятори Numeric Control з мітками «Кут
нахилу площини поляризації», «Коефіцієнт елліптичності» для задання
переметрів поляризації відповідного виду.
Для кожного з регуляторів, клацнувши на ньому правою кнопкою миші,
вибираємо Data Entry. Відкривається вікно Numeric Properties (рис.3.8). У цьому
вікні встановлюємо мінімальне Minimum, максимальне Maximum значення
регульованої величини і крок її зміни Increment. На рис. 3.8 це вікно показано
для регулятора «Кут нахилу площини поляризації». Тепер при регулюванні
значення змінних не зможуть прийняти неприпустимих значень.
Помістимо на лицьову панель з палітри Controls  Numeric два цифрових
регуляторів Horizontal Pointer Slide і дамо мітки «Амплітуда ГС» і «Фаза ГС в
градусах» (рис. 3.7).
Арк.
РТ15.025274.248 ПЗ 48
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

Для відображення параметрів генератора з вертикальною поляризацією
помістимо два цифрових індикатори Numeric Indicator з мітками «Амплітуда
ВС» і «Фаза ВС в градусах».
Міточним інструментом двом парам регуляторів дамо назви:
«Горизонтальна складова», «Вимірювач параметрів еліпса», а парі індикаторів –
«Вертикальна складова» (рис. 3.7).
З палітри Controls  Graph візьмемо графічний індикатор XY Graph і
помістимо його під заголовком. У мітку індикатора внесемо напис
«Поляризаційний еліпс».
Помістимо вище за графічний індикатор на лицьову панель з палітри
Controls  Numeric цифровий регулятор і привласнимо йому мітку
«Підсилення».

Рисунок 3.8 – Вікно Numeric Properties
регулятора «Кут нахилу площини поляризації»

Арк.
РТ15.025274.248 ПЗ 49
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

Відкриємо сторінку «Вимірювач автомат». З палітри Controls  Graph
візьмемо графічний індикатор XY Graph і помістимо його на сторінку. У мітку
індикатора внесемо напис «Поляризаційна характеристика». Міточним
інструментом задамо розмах обох шкал екрану від -200 до 200.
Помістимо справа на лицьову панель з палітри Controls  Numeric два
цифрові індикатори і дамо їм мітки «Модуль» і «Кут». Помістимо на лицьову
панель з палітри Controls  Numeric цифровий регулятор Vertical Pointer Slide і
дамо йому мітку «Підсилення» (рис. 3.9).

Рисунок 3.9 – Лицьова панель ВП «Поляризація поля».
Сторінка «Вимірювач автомат»

Арк.
РТ15.025274.248 ПЗ 50
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

Для всіх елементів лицьової панелі для підвищення наочності і зручності
можна задати кольори розфарбовування, розміри і тип шрифтів, і на цьому
формування лицьової панелі буде закінчено.
Перейдемо у вікно структурної схеми Block Diagram. Перемістимо
термінали регуляторів, що задають вхідні параметри, до лівого краю (рис. 3.10).
З палітри Functions вибираємо Select а VI. З вікна, що відкрилося, поміщаємо у
вікно структурної схеми створені нами СУБВІ: «Генератор поляризації»,
«Вимірювач автомат». Термінали регуляторів, СУБВІ і індикаторів сполучаємо
відповідно до схеми (рис. 3.10). Термінал Tab Control сполучати не треба.

Рисунок 3.10 – Блок-схема ВП «Поляризація поля»

Клацнемо правою кнопкою миші на терміналі індикатора XY Graph
«Поляризаційна характеристика». У контекстних меню, що відкриваються,
вибираємо послідовно Create  Property Node. На структурній схемі з'являється
елемент вузла атрибутів. Тепер робимо на ньому клацання правою кнопкою
миші і в контекстному меню вибираємо Properties  Cursor  Cursor Position
 Cursor X. Створений атрибут дає координату х положення курсора. Виділимо
клацанням цей атрибут і розтягнемо вниз. З'являється другий атрибут, що дає
координату у положення курсора. Для переведення координат курсора в полярні
Арк.
РТ15.025274.248 ПЗ 51
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

координати помістимо у вікно структурної схеми з палітри Functions  Numeric
 Complex оператори Complex to Polar і Re/Im to Complex.
З палітри Functions вибираємо Select а VI. З вікна, що відкрилося, двічі
поміщаємо у вікно структурної схеми створений нами СУБВІ «Радіани в
градуси». Монтажним інструментом з'єднаємо атрибути положення курсора,
оператори і індикатори «Модуль» і «Кут» по схемі (рис. 3.10). З палітри Functions
 Application Control вибираємо оператор останову Stop і сполучаємо його з
терміналом однойменної кнопки лицьової панелі.
Для забезпечення роботи в двох режимах помістимо у вікно структуру
Structure  Case Structure і збільшимо її розміри.
Яка з двох сторінок структури виконуватиметься, залежить від положення
перемикача режимів «Вид поляризації». Для цього термінал перемикача
підключаємо до терміналу вибору на лівій стороні рамки структури.
До терміналу перемикача підключаємо світлодіод «Обертова» і через
оператор логічного заперечення Not світлодіод «Лінійна». При перемиканні
світитиметься діод відповідного режиму і виконуватиметься програма з
відповідної сторінки структури Case.
При значенні «True» на терміналі вибору виконується розрахунок
параметрів вертикальної складової при обертовій поляризації. Через верхній
тунель на лівій стороні рамки структури подається амплітуда горизонтальної
складової, яка ділиться на значення коефіцієнту еліптичності, яке поступає через
другий тунель. Отримане значення сигналу, через тунель на правій стороні
рамки, потрапляє на індикатор «Амплітуда ВС» і одночасно з цим на відповідний
вхід субВІ «Генератор поляризації». При обертовій поляризації фаза
вертикальної складової повинна бути зміщена на 90 градусів, що реалізується за
допомогою оператора додавання і константи 90. Отримане значення фази, через
нижній тунель на правій стороні рамки, потрапляє на індикатор «Фаза ВС в
градусах» і одночасно з цим на відповідний вхід субВІ «Генератор поляризації».
Відповідне вікно структури Case приведене на рис. 3.11,а.
Арк.
РТ15.025274.248 ПЗ 52
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

а) б)
Рисунок 3.11 – Сторінки структури Case в структурній схемі ВП
«Поляризація поля»: а) «True»; б) «False»

При значенні «False» на терміналі вибору виконується розрахунок
параметрів вертикальної складової при лінійній поляризації. Через верхній
тунель на лівій стороні рамки структури подається амплітуда горизонтальної
складової, яка множиться на значення тангенсу кута нахилу площини
поляризації. Значення кута нахилу площини поляризації задається в градусах,
тому його потрібно перевести в радіани за допомогою субВІ «Градуси в
радіани», після чого подається в структуру Case через другий тунель. Отримане
значення сигналу, як і в попередньому випадку, через верхній тунель на правій
стороні рамки, потрапляє на індикатор «Амплітуда ВС» і одночасно з цим на
відповідний вхід субВІ «Генератор поляризації». При лінійній поляризації фази
вертикальної та горизонтальної складових повинні співпадати, отже значення
фази горизонтальної складової без обробки потрапляє на вихід. Відповідне вікно
структури Case приведене на рис.3.11,б.
На цьому робота із створення віртуальної лабораторної установки
завершена. Збережемо її результати як ВП з ім'ям «Поляризація поля».
Арк.
РТ15.025274.248 ПЗ 53
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

3.3 Використання синтезованого ВП для дослідження поляризації
поля

Розглянемо порядок виконання досліджень. Робота з установкою
починається в закладці «Генератор поля». За допомогою тумблера задають
потрібний вид поляризації електромагнітного поля. При виборі лінійної
поляризації необхідно задати значення кута нахилу площини поляризації, яке
лежить в діапазоні від 0 до 90 градусів і може змінюватися з кроком 1 градус.
Крайні положення значень відповідають горизонтальній і вертикальній
поляризація. Якщо була обрана обертова поляризація, то необхідно задати
значення коефіцієнта еліптичності, що визначається виразом (1.14).
Припускається, що еліпс завжди буде орієнтований більшою віссю по вертикалі,
а значення коефіцієнта еліптичності лежать в інтервалі від 0 до 1 з кроком 0,1.
На відміну від установки-прототипу [2] в модернізованому ВП задаються
значення амплітуди і фази лише для горизонтальної складової, а параметри
вертикальної складової розраховуються автоматично і виводяться на відповідні
індикатори.
Праворуч на екрані виводиться еліпс поляризації хвилі, який в окремих
випадках перетворюється на відрізок прямої лінії або коло. Для вимірювання
параметрів еліпса служить інструмент «Вимірювач параметрів еліпса». Він є на
екрані вектором із змінними модулем і кутовим положенням. Підводячи кінець
вектора за допомогою регуляторів модуля і кута до характерних точок еліпса,
визначаємо його параметри.
На закладці «Вимірювання автоматичне» реалізовано метод лінійно
поляризованої антени і відображається величина U( )в полярних координатах.
Безпосередньо під екраном розташована група кнопок, що здійснюють
управління переміщенням курсора по екрану. Там же, під екраном, в двох
індикаторах відображаються поточні декартові координати курсора. Ліворуч від
Арк.
РТ15.025274.248 ПЗ 54
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

екрану в двох цифрових індикаторах виводяться поточні полярні координати
курсора. За допомогою цих засобів управління курсором можна вимірювати
параметри кривої, що відображається на екрані.
Для ілюстрації працездатності модернізованого ВП проведемо
дослідження різних видів поляризації. Розглянемо лінійну поляризацію з кутом
нахилу площини поляризації 45 градусів. Для цього за допомогою тумблера
встановлюємо відповідний режим і задаємо значення кута в першому цифровому
регуляторі (рис.3.12). Для отримання фігури на індикаторі «Поляризаційний
еліпс», задаємо довільні значення амплітуди і фази горизонтальної складової.
Очевидно, що при куті нахилу площини поляризації 45 градусів, амплітуди
ортогональних складових співпадають, також однакові і фази складових. Саме
таку картину і ми спостерігаємо на відповідних індикаторах для вертикальної
складової. На графічному індикаторі отримали відрізок, який нахилений під
кутом 45 градусів. Для точного вимірювання довжини і орієнтації відрізка можна
скористатися елементами «Вимірювача параметрів еліпсу».
Арк.
РТ15.025274.248 ПЗ 55
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

Рисунок 3.12 – Генерація електромагнітної хвилі з лінійною поляризацією

На рис.3.13 наведена поляризаційна характеристика поля. Курсор
розміщується в точці, що відповідає куту нахилу поляризації. Крок зміни кута
складає 2 градуса, що приводить до певної похибки представлення результатів.
Арк.
РТ15.025274.248 ПЗ 56
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

Рисунок 3.13 – Поляризаційна характеристика поля з лінійною поляризацією

Розглянемо випадок еліптичної поляризації з коефіцієнтом еліптичності
0,5. Переключаємо тумблер в праве положення і задаємо значення Ке в другому
цифровому регуляторі (рис.3.14). Для отримання поляризаційного еліпсу на
індикаторі, задаємо довільні значення амплітуди і фази горизонтальної
складової. Очевидно, що при коефіцієнті еліптичності 0,5 амплітуда
вертикальної складової в двічі більше за амплітуду горизонтальної складової, а
фази ортогональних складових відрізняються на 90 градусів.

Рисунок 3.14 –Генерація електромагнітної хвилі з еліптичною поляризацією

Арк.
РТ15.025274.248 ПЗ 57
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

Рисунок 3.15 – Поляризаційна характеристика поля з еліптичною поляризацією
Саме такі значення ми спостерігаємо на відповідних індикаторах для
вертикальної складової. На графічному індикаторі отримали еліпс.
На рис.3.15 наведена поляризаційна характеристика поля з еліптичною
поляризацією. Фігура на рис.3.15 помітно відрізняється від фігури на рис.3.13.
Для вимірювання параметрів поляризації, а саме коефіцієнта еліптичності,
необхідно виміряти найвужчу відстань фігури по горизонталі і розділити на її
висоту. В даному випадку Ке=40/80=0,5, що збігається з початковим значенням.
На рис.3.16 представлені результати генерації поля з круговою
поляризацією. Кругова поляризація є окремим випадком обертової поляризації і
може бути отримана при рівності амплітуд ортогональних складових поля, тобто
коефіцієнт еліптичності дорівнює 1. Для отримання кола на графічному
індикаторі, задаємо довільні значення амплітуди і фази горизонтальної
складової.
Арк.
РТ15.025274.248 ПЗ 58
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

Рисунок 3.16 –Генерація електромагнітної хвилі з круговою поляризацією

На рис.3.17 наведена поляризаційна характеристика поля з круговою
поляризацією. При рівності амплітуд ортогональних складових поляризаційна
характеристика поля представляє собою коло.
Арк.
РТ15.025274.248 ПЗ 59
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

Рисунок 3.17 – Поляризаційна характеристика поля з круговою поляризацією

4. ОХОРОНА ПРАЦІ

4.1 Аналіз небезпек та шкідливостей, які виникають в процесі розробки
віртуального інструментарію для моделювання поляризованих
електромагнітних хвиль

Розробка віртуального інструментарію для моделювання поляризованих
електромагнітних хвиль передбачає тривалу роботу з комп'ютерною технікою в
лабораторних та офісних приміщеннях. Основні види діяльності при цьому
Арк.
РТ15.025274.248 ПЗ
60
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

пов'язані з налагодженням та тестуванням програмного забезпечення,
проведенням обчислень та аналізом даних, що вимагає значних інтелектуальних
навантажень та тривалого зорового напруження.
Робоче місце розробника зазвичай обладнане персональним комп'ютером
з монітором, клавіатурою, мишею, а також додатковими пристроями:
принтерами, сканерами, блоками безперебійного живлення тощо. Така робота
характеризується малорухливим способом діяльності з високим рівнем
психоемоційного навантаження.
Електромагнітне випромінювання є одним з найсуттєвіших факторів
впливу на організм учасника при роботі з комп'ютерною технікою. Джерелами
електромагнітного випромінювання є:
- Монітори (особливо на електронно-променевих трубках, якщо такі
використовуються);
- Системні блоки комп'ютерів;
- Блоки живлення;
- Мережеве обладнання;
- Електропроводка.
Тривалий вплив електромагнітних полів може призводити до порушень
функціонування нервової, серцево-судинної, імунної та ендокринної систем,
зниження працездатності. Рівень електромагнітного випромінювання в аудиторії
відповідає таким нормативним документам:
- ДСанПіН 3.3.2-007-98 "Державні санітарні правила і норми роботи з
візуальними дисплейними терміналами електронно-обчислювальних машин";
- НПАОП 0.00-7.15-18 "Вимоги щодо безпеки та захисту здоров'я
працівників під час роботи з екранними пристроями" [15] [16].
Заходи із захисту від електромагнітного випромінювання:
- Використання моніторів з низьким рівнем випромінювання, що
відповідають стандартам ТСО або ЕРА Energy Star;
- Застосування захисних екранів для моніторів, що зменшують
електростатичне поле та електромагнітне випромінювання (якщо
використовуються монітори на електронно-променевих трубках); Арк.
РТ15.025274.248 ПЗ
61
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

- Раціональне розміщення обладнання з дотриманням мінімальної
відстані між робочими місцями не менше 1,5 м;
- Застосування екранованих проводів та кабелів для зменшення
електромагнітних полів;
- Використання захисних матеріалів (металеві сітки, спеціальні фарби)
для екранування приміщень.
Електронебезпека виникає через використання електрообладнання та
можливість ураження електричним струмом. Причини ураження можуть бути
наступними:
- Пошкодження ізоляції електропроводки або обладнання;
- Відсутність або недостатність заземлення;
- Порушення правил експлуатації електрообладнання;
- Використання несправних електроприладів;
- Випадковий дотик до струмопровідних частин, що знаходяться під
напругою.
Для забезпечення електробезпеки при роботі з комп'ютерною технікою та
обладнанням необхідно реалізувати комплекс технічних та організаційних
заходів:
- Захисне заземлення всього електрообладнання з опором не більше 4
Ом.
- Використання пристроїв захисного відключення (ПЗВ) зі струмом
спрацювання не більше 30 мА, що забезпечує захист людини у випадку дотику
до струмоведучих частин або при пошкодженні ізоляції.
- Організація регулярної перевірки опору ізоляції електромережі (не
рідше одного разу на рік) з обов'язковим документуванням результатів.
- Використання екранованих кабелів для зменшення
електромагнітного випромінювання.
- Застосування стабілізаторів напруги та джерел безперебійного
живлення для захисту обладнання від перепадів напруги в мережі.
Рівень електробезпеки в аудиторії відповідає вимогам НПАОП 40.1-1.21-
98 "Правила безпечної експлуатації електроустановок споживачів" [17].
Арк.
РТ15.025274.248 ПЗ
62
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

Шум і вібрація від системних блоків, кондиціонерів, вентиляторів
охолодження, принтерів можуть викликати підвищену стомлюваність, зниження
уваги та працездатності, порушення слуху при тривалому впливі. Інтенсивне
використання обчислювальних ресурсів комп'ютера при розрахунках може
призводити до підвищення температури системних компонентів, збільшення
рівня шуму від вентиляторів охолодження та підвищеного споживання
електроенергії.
Заходи із захисту від шуму та вібрації:
- Використання малошумного обладнання (комп'ютери з безшумними
блоками живлення, принтери з низьким рівнем шуму).
- Застосування звукопоглинальних матеріалів для оздоблення стін,
стелі та підлоги (акустичні панелі, підвісні стелі з перфорацією, килимові
покриття).
- Встановлення шумопоглинаючих екранів між робочими місцями.
- Використання віброізоляційних матеріалів для установки
обладнання, що генерує вібрації.
- Розміщення обладнання, що генерує підвищений шум (принтери,
сервери), в окремих приміщеннях або шумоізоляційних шафах.
- Регулярний контроль рівня шуму на робочих місцях (не рідше одного
-
разу на рік) з використанням шумомірів.
- Проведення своєчасного технічного обслуговування обладнання для
запобігання підвищеного шуму від зношених деталей.
- Регламентація роботи обладнання, що генерує підвищений шум
(наприклад, використання принтерів у визначений час).
Через несправний кулер Noctua NH-U14S TR5-SP6 загальний рівень шуму
в приміщенні перевищує норму у 60 дБ складаючи 80дБ, що не відповідає ДСН
3.3.6.037-99 "Санітарні норми виробничого шуму, ультразвуку та інфразвуку",
через що він потребує заміни [18].
Арк.
РТ15.025274.248 ПЗ
63
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

Недостатнє або нераціональне освітлення робочого місця призводить до
перенапруження органів зору, зниження працездатності, розвитку
короткозорості та інших офтальмологічних проблем.
Заходи із забезпечення нормативних вимог до освітлення робочих місць:
- Організація системи природного освітлення через бічні світлові
прорізи (вікна) з коефіцієнтом природної освітленості (КПО) не менше 1,5%
відповідно до ДБН В.2.5-28:2018 [19].
- Встановлення систем штучного освітлення з використанням
енергоефективних світлодіодних світильників з коефіцієнтом пульсації не
більше 5% та індексом кольоропередачі не менше 80.
- Забезпечення рівня освітленості робочої поверхні не менше 300-500
лк відповідно до ДБН В.2.5-28:2018 [19].
- Застосування комбінованого освітлення з використанням місцевих
світильників на робочих місцях для створення достатньої освітленості робочої
зони.
- Встановлення систем автоматичного регулювання освітлення
залежно від рівня природного освітлення.
- Застосування жалюзі або штор для захисту від прямих сонячних
променів, що спричиняють відблиски на екранах моніторів.
- Регулярне очищення світильників та віконних прорізів (не рідше
одного разу на квартал) для підтримання необхідного рівня освітленості.
-
- Своєчасна заміна несправних джерел світла.
- Контроль рівня освітленості робочих місць з використанням
люксметрів (не рідше одного разу на рік).
Правильне розташування робочих місць відносно джерел світла:
- Монітор повинен бути розташований під прямим кутом до вікна;
- Світильники загального освітлення повинні розміщуватися
паралельно до лінії зору користувача.
Рівень освітленості відповідає ДБН В.2.5-28:2018 "Природне і штучне
освітлення" [19].
Арк.
РТ15.025274.248 ПЗ
64
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

Невідповідність температури, вологості та швидкості руху повітря
нормативним значенням може спричиняти швидку стомлюваність, розвиток
різних захворювань (простудних, радикуліту тощо).
Заходи для забезпечення мікроклімату:
- Обладнання приміщень системами кондиціювання, що підтримують
оптимальні параметри температури та вологості відповідно до ДСН 3.3.6.042-99
[20]:
- Температура повітря: 22-24°C (холодний період року), 23-25°C
(теплий період року);
- Відносна вологість: 40-60%;
- Швидкість руху повітря: не більше 0,1 м/с.
- Встановлення систем вентиляції з кратністю повітрообміну не
менше 3 разів на годину для забезпечення притоку свіжого повітря.
- Застосування систем опалення, що забезпечують рівномірний
розподіл тепла в приміщенні.
- Використання теплозахисних екранів для зменшення теплових
випромінювань від обладнання.
- Встановлення приладів контролю мікроклімату (термометрів,
гігрометрів) в робочих приміщеннях.
- Регулярний контроль параметрів мікроклімату (не рідше одного разу
на квартал) з документуванням результатів.
- Організація режиму провітрювання приміщень протягом робочого
дня.
- Контроль за справністю та своєчасним обслуговуванням систем
кондиціювання, вентиляції та опалення.
Мікроклімат в аудиторії відповідає ДСН 3.3.6.042-99 "Санітарні норми
мікроклімату виробничих приміщень" [20].
Статичне положення тіла під час роботи за комп'ютером є причиною
порушень кровообігу, розвитку остеохондрозу, радикуліту, варикозного
розширення вен.
Арк.
РТ15.025274.248 ПЗ
65
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

Зоровий дискомфорт виникає через тривалу фіксацію погляду на екрані
монітора, необхідність частої переадаптації зору (екран – клавіатура –
документи). Це призводить до перенапруження очей, розвитку астенопії, міопії
та інших офтальмологічних захворювань.
Психоемоційне перенапруження викликане:
- Інтелектуальними навантаженнями;
- Великим обсягом інформації, що обробляється;
- Необхідністю прийняття складних технічних рішень;
- Можливими конфліктними ситуаціями в колективі;
- Дефіцитом часу при виконанні проєкту.
Монотонність праці при тривалому виконанні однотипних операцій
призводить до розвитку гіподинамії, зниження уваги, появи сонливості.
Психоемоційне перевантаження, пов'язане з високою складністю
математичних моделей та алгоритмів для відтворення поведінки
електромагнітних хвиль і їх взаємодії з різними середовищами.
Ергономічні заходи при роботі з комп'ютерною технікою
Забезпечення ергономічних робочих місць відповідно до ДСанПіН 3.3.2-
007-98 [15]:
- Регульовані за висотою робочі столи (оптимальна висота 680-800
мм);
- Ергономічні офісні крісла з регульованими параметрами (висота

сидіння, кут нахилу спинки, підлокітники);
- Підставки для ніг з регульованим кутом нахилу (до 20°);
- Тримачі для документів, що розташовуються на одному рівні з
екраном;
- Використання моніторів з антибліковим покриттям та можливістю
регулювання положення екрану (нахил, поворот).
Забезпечення оптимального розташування елементів робочого місця:
- Верхній край екрану монітора на рівні очей або трохи нижче;
- Відстань від очей до екрану 60-70 см;
Арк.
РТ15.025274.248 ПЗ
66
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

- Розміщення клавіатури на відстані 10-30 см від краю столу;
- Розміщення документів, що використовуються при роботі, в
підставці для документів поруч з монітором.
Робочі місця в аудиторії відповідають ДСанПіН 3.3.2-007-98 [15].
Комп'ютерні аудиторії відносяться до приміщень з підвищеним ризиком
виникнення пожежі через наявність великої кількості електричного обладнання,
кабельних мереж та електронних компонентів. Робота з віртуальним
інструментарієм для моделювання поляризованих електромагнітних хвиль
передбачає тривале використання комп'ютерного обладнання з високою
обчислювальною потужністю, що збільшує ризик перегріву та виникнення
пожежонебезпечних ситуацій.
Заходи з пожежної безпеки:
- Обладнання приміщень системами автоматичної пожежної
сигналізації та оповіщення про пожежу, відповідно до ДБН В.2.5-56:2014 [21].
Забезпечення приміщень первинними засобами пожежогасіння:
- Вуглекислотні вогнегасники (ВВК-2, ВВК-3,5) з розрахунку один
вогнегасник на 20 кв.м площі приміщення;
- Пожежні щити з необхідним інвентарем.
- Оснащення електрообладнання та електромережі захисними
пристроями від коротких замикань та перевантажень.

- Встановлення системи автоматичного відключення
електроживлення у випадку виникнення аварійної ситуації.
Евакуаційні виходи будівлі в якій знаходиться аудиторія, відповідають
ДБН В.1.1-7:2016 "Пожежна безпека об'єктів будівництва" [22].
Запропоновані заходи з охорони праці спрямовані на мінімізацію
негативного впливу виявлених небезпек та шкідливостей. Забезпечення
пожежної безпеки будівлі в якій знаходиться аудиторія відповідає таким
нормативним документам:
- ДБН В.2.5-56:2014 "Системи протипожежного захисту" [21];
- ДБН В.1.1-7:2016 "Пожежна безпека об'єктів будівництва" [22];
Арк.
РТ15.025274.248 ПЗ
67
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

- НАПБ А.01.001-2014 "Правила пожежної безпеки в Україні" [23].
Оскільки основні потенційні небезпеки та шкідливості, окрім загального
рівня шуму, який перевищує норму в приміщенні, нівельовані підготовкою
аудиторії згідно відповідних нормативних документів, в наступному розділі буде
проведено модернізацію системи охолодження процесора комп’ютера для
усунення надлишкового шуму в приміщенні [24] [25] [26].

4.2 Модернізація системи охолодження процесора комп’ютера

Модернізація проводиться з метою зниження рівня шуму в приміщенні до
нормативного значення 60 дБ, оскільки несправність кулера процесора
комп’ютера призводить до перевищення допустимого рівня шуму згідно з ДСН
3.3.6.037-99 "Санітарні норми виробничого шуму, ультразвуку та інфразвуку"
[18], і становить 80 дБ. Це створює несприятливі умови праці, що можуть
негативно впливати на здоров’я та працездатність учасників. Заміна несправної
системи охолодження на ефективніший та тихіший варіант дозволить усунути
джерело надлишкового шуму, покращити санітарно-гігієнічні умови в
приміщенні та забезпечити відповідність вимогам чинних нормативних
документів.
Сучасні високопродуктивні процесори характеризуються значним
тепловиділенням під час роботи, що потребує ефективних систем охолодження
для забезпечення стабільної роботи, запобігання термічному тротлінгу та
зниження шуму вентиляторів кулера. AMD Ryzen Threadripper PRO 7995WX, що
стоїть в нашому комп’ютері для розробки, є одним з найпотужніших споживчих
процесорів на ринку з TDP 350 Вт, що створює особливі вимоги до системи
охолодження.
У даній роботі розглядаються різні типи систем охолодження, проводяться
теплові розрахунки та розрахунки рівня шуму і обґрунтовується вибір
оптимального рішення для конкретного процесора.
Арк.
РТ15.025274.248 ПЗ
68
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

Повітряні системи охолодження є найпоширенішим типом охолодження
процесорів завдяки своїй надійності, відносно низькій вартості та простоті
обслуговування. Основними компонентами є:
Радіатор - металева конструкція з великою площею поверхні для
відведення тепла. Виготовляється з алюмінію або міді, часто комбінуючи ці
матеріали для оптимізації теплопровідності, ціни та ваги.
Вентилятор - забезпечує примусову циркуляцію повітря через радіатор.
Характеризується швидкістю обертання (RPM), рівнем шуму (дБ) та статичним
тиском.
Теплові трубки - герметичні трубки з робочою рідиною, що забезпечують
ефективне передавання тепла від процесора до радіатора за рахунок фазових
переходів.
Переваги повітряного охолодження включають високу надійність,
відсутність ризику протікання рідини, простоту встановлення та
обслуговування. Недоліками є обмежена ефективність для процесорів з високим
TDP, більші розміри кулерів високої продуктивності.
Рідинні системи охолодження використовують теплоносій для
передавання тепла від процесора до радіатора. Розрізняють два основні типи:
Замкнуті системи рідинного охолодження представляють собою готові
рішення з водяним блоком, радіатором, помпою та трубками, заповнені
охолоджуючою рідиною на заводі.
Кастомні системи рідинного охолодження дозволяють створити
індивідуальну конфігурацію з вибором окремих компонентів та можливістю
охолодження кількох елементів системи.
Основні компоненти рідинної системи:
- Водяний блок з мікроканалами для максимального контакту з
процесором;
- Помпа для циркуляції теплоносія;
- Радіатор зі встановленими вентиляторами;
- Трубки або шланги для з'єднання компонентів;
- Розширювальний бачок (у кастомних системах). Арк.
РТ15.025274.248 ПЗ
69
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

Рідинне охолодження забезпечує кращу ефективність для потужних
процесорів та більш рівномірний розподіл температури. Недоліками є вища
вартість, ризик протікання, складніше обслуговування та потреба в більшому
просторі в корпусі.
Розрахунок теплового опору
Для забезпечення ефективного охолодження процесора необхідно
розрахувати загальний тепловий опір системи. Чим краща буде система
охолодження тим менші оберти будуть на її радіаторах. Тим самим збільшуючи
термін служби вальниць вентиляторів і зменшуючи шум. Тепловий опір
визначається як відношення різниці температур до теплового потоку:
R = ΔT / Q
де R - тепловий опір (°C/Вт), ΔT - різниця температур (°C), Q - тепловий
потік (Вт).
Загальний тепловий опір складається з кількох компонентів:
- Тепловий опір між кристалом процесора та кришкою (R_die-IHS)
- Тепловий опір термоінтерфейсу (R_TIM)
- Тепловий опір кулера (R_cooler)
R_total = R_die-IHS + R_TIM + R_cooler
При максимальному тепловиділенні 350 Вт та цільовій температурі
процесора 80°C при температурі навколишнього середовища 25°C:
Необхідний тепловий опір системи охолодження: R_total = (80°C - 25°C)
/ 350 Вт = 0.157 °C/Вт
З урахуванням того, що R_die-IHS ≈ 0.02 °C/Вт та R_TIM ≈ 0.01 °C/Вт для
якісної термопасти:
Необхідний тепловий опір кулера: R_cooler = 0.157 - 0.02 - 0.01 = 0.127
°C/Вт
Розрахунок потрібної площі радіатора
Для повітряного охолодження коефіцієнт тепловіддачі залежить від
швидкості повітряного потоку:
- При природній конвекції: h ≈ 5-10 Вт/(м²·K)
- При примусовій конвекції (вентилятор): h ≈ 50-100 Вт/(м²·K)
Арк.
РТ15.025274.248 ПЗ
70
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

Необхідна площа поверхні радіатора при h = 75 Вт/(м²·K): A = Q / (h ×
ΔT) = 350 Вт / (75 Вт/(м²·K) × 55 K) = 0.085 м² = 850 см²
Розрахунок повітряного потоку
Необхідний повітряний потік розраховується за формулою: CFM = Q /
(1.08 × ΔT)
де CFM - повітряний потік (куб. фут/хв), Q - теплове навантаження (Вт),
ΔT - різниця температур повітря на вході та виході з радіатора.
При ΔT = 15°C: CFM = 350 / (1.08 × 15) = 21.6 CFM ≈ 37 м³/год
Аналіз доступних рішень охолодження
Повітряні кулери
Noctua NH-U14S TR5:
- Тепловий опір: ~0.15 °C/Вт;
- Розміри: 165 × 150 × 120 мм;
- Рівень шуму: до 24.6 дБ;
- Підтримка TDP: до 200 Вт. Висновок: Недостатньо для 350 Вт TDP.
be quiet! Dark Rock Pro TR5:
- Тепловий опір: ~0.12 °C/Вт;
- Розміри: 163 × 136 × 146 мм;
- Рівень шуму: до 24.3 дБ;
- Підтримка TDP: до 250 Вт. Висновок: Недостатньо для повного
навантаження.
Системи рідинного охолодження
Arctic Liquid Freezer II 360:
- Тепловий опір: ~0.08 °C/Вт;
- Розмір радіатора: 360 мм (3×120 мм);
- Рівень шуму: до 36 дБ;
- Підтримка TDP: до 300 Вт. Висновок: Недостатньо для максимального
навантаження.
NZXT Kraken Z73:
- Тепловий опір: ~0.09 °C/Вт;
- Розмір радіатора: 360 мм; Арк.
РТ15.025274.248 ПЗ
71
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

- Рівень шуму: до 38 дБ;
- Підтримка TDP: до 280 Вт. Висновок: Недостатньо.
Кастомні системи рідинного охолодження
Конфігурація з подвійним радіатором 360 мм:
- Загальний тепловий опір: ~0.06 °C/Вт;
- Два радіатора 360 мм з вентиляторами;
- Потужна помпа D5 або DDC;
- Водяний блок для TR5 сокета. Висновок: Здатна впоратися з повним
навантаженням.
На основі проведених розрахунків та аналізу доступних рішень,
оптимальним вибором для AMD Ryzen Threadripper PRO 7995WX є кастомна
система рідинного охолодження з подвійним радіатором.
Причини вибору:
1. Тільки кастомна система здатна забезпечити тепловий опір нижче
0.127 °C/Вт;
2. Можливість точного налаштування під конкретні вимоги;
3. Найкраща ефективність охолодження для процесорів з надвисоким
TDP;

4. Можливість розширення для охолодження інших компонентів.
Рекомендована конфігурація системи охолодження:
- Водяний блок: EK-Quantum Velocity sTR5 - спеціально розроблений
для сокета sTR5 з оптимізованою структурою мікроканалів для рівномірного
охолодження великої площі процесора.
- Радіатори: 2× Hardware Labs GTS 360 мм - високоефективні
радіатори з щільністю 16 FPI (ребер на дюйм), що забезпечують оптимальний
баланс між теплообміном та опором повітряному потоку.
- Вентилятори: 6× Noctua NF-A12x25 PWM - високоякісні
вентилятори з оптимізованою конструкцією лопастей, що забезпечують високий
статичний тиск при низькому рівні шуму.
Арк.
РТ15.025274.248 ПЗ
72
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

- Помпа: Aquacomputer D5 Next - надійна помпа з можливістю
регулювання швидкості та моніторингу параметрів.
- Теплоносій: EK-CryoFuel Clear - преміальна охолоджуюча рідина з
антикорозійними та біоцидними добавками.
- Трубки: EK-DuraClear 16/10 мм - прозорі гнучкі трубки з високою
хімічною стійкістю.
Розрахункові характеристики системи
Загальна площа радіаторів: 2 × 0.36 м² = 0.72 м². Повітряний потік: 6 ×
120 CFM = 720 CFM. Тепловий опір системи: ~0.06 °C/Вт. Очікувана
температура процесора при 350 Вт: 25°C + (350 × 0.06) = 46°C.
Розрахунок рівня шуму
Система охолодження: Кастомна система рідинного охолодження з
подвійним радіатором. Компоненти що генерують шум:
- 6× вентиляторів Noctua NF-A12x25 PWM;
- 1× помпа Aquacomputer D5 Next.
Характеристики шуму компонентів
Вентилятори Noctua NF-A12x25 PWM:
- Максимальний рівень шуму: 22.6 дБ при 2000 RPM;
- Мінімальний рівень шуму: 10.7 дБ при 450 RPM;

- Робочий режим для охолодження 350 Вт: ~1500 RPM;
- Розрахунковий рівень шуму на робочих обертах: ~18.5 дБ на
вентилятор.
Помпа Aquacomputer D5 Next:
- Рівень шуму при максимальних обертах: ~25 дБ;
- Рівень шуму при робочих обертах (60-70%): ~18 дБ.
Для складання рівнів шуму від декількох джерел використовується
формула: L_сум = 10 × log₁₀(∑10^(Li/10)),
де Li - рівень шуму i-того джерела в дБ.
Розрахунок для 6 вентиляторів
Переведення в лінійну шкалу: Арк.
РТ15.025274.248 ПЗ
73
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

- Один вентилятор: 10^(18.5/10) = 10^1.85 = 70.79;
- Шість вентиляторів: 6 × 70.79 = 424.74.
Переведення назад в логарифмічну шкалу:
- L_вент = 10 × log₁₀(424.74) = 10 × 2.628 = 26.3 дБ.
Розрахунок загального шуму системи
Складання шуму вентиляторів та помпи:
- Вентилятори: 10^(26.3/10) = 426.6;
- Помпа: 10^(18/10) = 63.1;
- Сума: 426.6 + 63.1 = 489.7.
Загальний рівень шуму системи охолодження: L_система = 10 ×
log₁₀(489.7) = 26.9 дБ.
Загальний рівень шуму в аудиторії: зменшено з 80 дБ до 60 дБ.
Особливості встановлення та експлуатації
Система потребує корпуса з можливістю встановлення двох 360 мм
радіаторів. Рекомендується конфігурація з одним радіатором у верхній частині
корпуса (витяжка) та одним спереду (приплив) для оптимальної циркуляції
повітря.
Необхідне регулярне обслуговування включає перевірку рівня теплоносія,
очищення радіаторів і вентиляторів від пилу та контроль стану помпи.
Рекомендована заміна теплоносія кожні 2-3 роки.

На основі проведеного аналізу можна зробити такі висновки:
- Проведені теплові розрахунки показали, що стандартні повітряні кулери та
готові системи рідинного охолодження не здатні забезпечити необхідну
ефективність для процесора з TDP 350 Вт. Єдиним адекватним рішенням є
кастомна система рідинного охолодження з подвійним радіатором 360 мм, яка
забезпечує тепловий опір ~0.06 °C/Вт та здатна підтримувати температуру
процесора на рівні 46°C при повному навантаженні.
- Впровадження рекомендованої системи охолодження дозволить знизити
рівень загального шуму з 80 дБ до нормативних 60 дБ, що складається з 26.9 дБ
Арк.
РТ15.025274.248 ПЗ
74
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

від системи охолодження та фонового шуму приміщення. Це забезпечить
відповідність санітарним нормам та створить комфортні умови праці.
ВИСНОВКИ

У процесі виконання бакалаврської роботи на тему "Віртуальний
інструментарій для моделювання поляризованих електромагнітних хвиль" було
досягнуто поставленої мети - модернізації віртуального інструментарію для
дослідження поляризації електромагнітних хвиль в середовищі LabVIEW і
отримання за його допомогою експериментальних результатів.
В ході роботи було проведено комплексне дослідження методів
моделювання поляризованих електромагнітних хвиль та здійснено успішну
модернізацію існуючого віртуального інструментарію в середовищі LabVIEW.
Проаналізовано умови генерації різних типів поляризованих хвиль та
систематизовано теоретичні основи поляризаційних явищ і методи їх аналізу.
Вивчено особливості роботи з поляризованими полями в програмному
середовищі LabVIEW, що дозволило ефективно використовувати його потужні
можливості для створення віртуального інструментарію.
Успішно реалізовано генерацію поля з лінійною поляризацією під заданим
кутом та розроблено ефективні алгоритми знаходження параметрів такої
поляризації. Впроваджено функціонал генерації поля з обертовою поляризацією,
включаючи еліптичну і кругову поляризацію з заданим коефіцієнтом
еліптичності. Розроблено надійні методи визначення параметрів обертової
поляризації та проведено експериментальну перевірку розроблених алгоритмів з
отриманням практичних результатів.
Використано потужні можливості середовища LabVIEW для створення
інтуїтивного графічного інтерфейсу та застосовано ефективні алгоритми
обчислення параметрів поляризації в реальному часі. Реалізовано модульну
архітектуру, що дозволяє легко розширювати функціональність установки та
забезпечено високу точність обчислень і стабільність роботи віртуального
інструментарію.
Арк.
РТ15.025274.248 ПЗ 75
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

Модернізований віртуальний інструментарій має важливе значення для
освітньої та дослідницької діяльності. Він надає студентам та викладачам
потужний інструмент для візуального вивчення явищ поляризації в середовищі
LabVIEW та сприяє кращому розумінню теоретичних концепцій через
інтерактивне моделювання різних типів поляризації. Інструментарій може
ефективно використовуватись у лабораторних роботах з курсів електродинаміки,
оптики та радіофізики, дозволяючи проводити віртуальні експерименти без
потреби у дорогому обладнанні.
Практичне застосування модернізованого інструментарію знаходить
відображення в телекомунікаційній галузі для аналізу поляризаційних
характеристик сигналів, у розробці антенних систем та оптичних пристроїв, а
також є корисним для інженерів, що працюють з мікрохвильовою технікою та
радіолокаційними системами.
Модернізований віртуальний інструмент демонструє розширену
функціональність, високу точність обчислень та зручність використання.
Результати роботи відкривають широкі можливості для подальших
досліджень та удосконалень віртуального інструментарію в середовищі
LabVIEW. Перспективними напрямками є розширення функціональності для
дослідження поляризації в анізотропних та неоднорідних середовищах,
інтеграція з реальними вимірювальними приладами через інтерфейси LabVIEW,
додавання можливостей для моделювання взаємодії поляризованих хвиль з
різними об'єктами.
Модернізована віртуальна лабораторна установка поєднує функції
генерації поляризованих електромагнітних хвиль (лінійного та обертових типів)
із можливостями визначення поляризаційних параметрів поля на приймальній
стороні. Відмінною характеристикою стенду є інтелектуальна функція
формування поляризованих сигналів, за якої достатньо задати цільові параметри
поляризації та властивості лише однієї складової каналу, тоді як характеристики
комплементарного каналу визначаються автоматично.
Арк.
РТ15.025274.248 ПЗ 76
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

Проведено аналіз основних потенційних небезпек та шкідливостей, що
виникають в процесі проведення комп’ютерних досліджень в аудиторії
розробки, а також проведено модернізацію системи охолодження процесора
комп’ютера для усунення надлишкового шуму в приміщенні.
Список використаної літератури

1. Griffiths, D.J. (2017). Introduction to Electrodynamics. Cambridge University
Press, 4th Edition.
2. Jackson, J.D. (2019). Classical Electrodynamics. John Wiley & Sons, 4th
Edition.
3. Kittel, C. (2005). Introduction to Solid State Physics. Wiley, 8th Edition.
4. Serway, R.A., Jewett, J.W. (2018). Physics for Scientists and Engineers with
Modern Physics, 10th Edition. Cengage Learning.
5. Pozar, D.M. (2012). Microwave Engineering, 4th Edition. Wiley.
6. Rappaport, T.S. (2021). Wireless Communications: Principles and Practice, 3rd
Edition. Pearson Education.
7. Ulaby, F.T., Ravaioli, U. (2015). Fundamentals of Applied Electromagnetics,
7th Edition. Pearson.
8. Rogalski, A. (2019). Infrared and Terahertz Detectors, 3rd Edition. CRC Press.
9. Saleh, B.E.A., Teich, M.C. (2019). Fundamentals of Photonics, 3rd Edition.
Wiley.
10. Diffey, B.L. (2015). Solar Ultraviolet Radiation: Effects on Biological Systems.
Physics in Medicine & Biology, CRC Press.
11. Als-Nielsen, J., McMorrow, D. (2011). Elements of Modern X-ray Physics, 2nd
Edition. Wiley.
12. Knoll, G.F. (2020). Radiation Detection and Measurement, 5th Edition. Wiley.
13. Liou, K.N. (2002). An Introduction to Atmospheric Radiation, 2nd Edition.
Academic Press.
14. lauterburg.ch. (2019). LabVIEW™ in Physics Education.
http://www.lauterburg.ch/UrsLPublications/LV-PhysicsWPPrint.pdf.
Арк.
РТ15.025274.248 ПЗ 77
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

15. ДСанПіН 3.3.2-007-98 "Державні санітарні правила і норми роботи з
візуальними дисплейними терміналами електронно-обчислювальних машин".
16. НПАОП 0.00-7.15-18 "Вимоги щодо безпеки та захисту здоров'я
працівників під час роботи з екранними пристроями".
17. НПАОП 40.1-1.21-98 "Правила безпечної експлуатації електроустановок
споживачів".
18. ДСН 3.3.6.037-99 "Санітарні норми виробничого шуму, ультразвуку та
інфразвуку".
19. ДБН В.2.5-28:2018 "Природне і штучне освітлення".
20. ДСН 3.3.6.042-99 "Санітарні норми мікроклімату виробничих
приміщень".
21.ДБН В.2.5-56:2014 "Системи протипожежного захисту".
22. ДБН В.1.1-7:2016 "Пожежна безпека об'єктів будівництва".
23. НАПБ А.01.001-2014 "Правила пожежної безпеки в Україні".
24.Жидецький В.Ц. Основи охорони праці: підручник. – Львів: Афіша, 2005.
– 320 с.
25. Ткачук К.Н., Халімовський М.О., Зацарний В.В. та ін. Основи охорони
праці: підручник. – К.: Основа, 2011. – 480 с.
26. Войналович О.В., Марчишина Є.І. Охорона праці в галузі (для
спеціальностей за напрямом "Інформаційні технології"): навчальний посібник. –
К.: Центр учбової літератури, 2018. – 352 с.

Арк.
РТ15.025274.248 ПЗ 78
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

ChSTU repository

ChSTU repository preserves and enables easy and open access to all types of digital content including text, images, moving images, mpegs and data sets