1.5 – 3.0 GHz frekans bandındaki elektromagnetik dalgaların mükemmel iletken olarak modellenen gözlükler kullanılması durumunda insan gözü özgün soğurma oranı (ÖSO) üzerine etkisi

İsmail Hakkı TAYYAR⁽¹⁾, Serkan AKSOY⁽¹⁾

⁽¹⁾ Gebze Yüksek Teknoloji Enstitüsü, Elektronik Mühendisliği, Gebze, Kocaeli. 

Genetik Algoritma Kullanarak E_z-Polarize Düzlem Dalga için ÖSO Hesabı           

1.8 GHz de metal çerçeveli gözlük kullanımının gözdeki ÖSO’ya maksimum etkisini araştırmak için Genetik Algoritma (GA) kullanılmıştır. GA kullanılmasındaki amaç, birçok şekil ve boyuttaki gözlüğün gözde oluşan ÖSO’ya tüm etkilerinin çıkarılmasını sağlamaktır. Araştırma algoritması ile gözdeki ortalama ÖSO ve gözün ortalama 1 gramdaki maksimum ÖSO değerleri hesaplanmıştır.

GA ile modelleme yaparken çeşitli gözlüklerin kromozomlarını oluşturmak için 7 değişik gen kullanılmıştır. Genler: gözün önünün çerçeveye olan uzaklığı, çerçevelerin genişliği, çerçevelerin yüksekliği, merceğin materyali (cam veya Perspex), merceğin kalınlığı, çerçevenin şekli (dikdörtgen veya eliptik) ve çerçevenin kenarından kola kadar olan desteğin uzunluğu olmak üzere belirlenmiştir.

GA ile gözdeki ortalama ÖSO’ yu 3.399 W/kg yapan bir konfigürasyon bulunmuş ve gözlüksüz halde gözdeki ortalama ÖSO’nun 1.311 W/kg olduğu hesaplandığında bulunan konfigürasyonun ÖSO değerinde % 159’luk bir artış sağladığı görülmüştür. Aynı konfigürasyon ortalama 1 gramdaki maksimum ÖSO miktarını 2.693 ten 7.286 çıkarmış ve bu artışın  % 176’ya denk geldiği görülmüştür. Gözdeki ÖSO değerine en büyük artışı veren gözlük konfigürasyonu, gözün 26 mm önünde, 36 mm genişliğinde ve 38 mm yüksekliğinde bir dikdörtgen çerçeveli gözlük olarak tespit edilmiştir. Bu durumda mercek 4 mm kalınlığında ve camdan yapılmıştır. Çerçevenin destekleri ise 18 mm uzunluğundadır. Böylece GA maksimum ÖSO değerini verecek gözlük modelini tespit etmiştir. Aynı zamanda ÖSO değerinin minimum olmasını sağlayacak uygun konfigürasyon tespiti de GA modeli ile gerçekleştirilmiştir. Bunun için gözlüğün gözün 28 mm önünde, 46 mm genişliğinde ve 38 mm yüksekliğinde dikdörtgen çerçeveli, 4 mm kalınlığında camdan yapılmış bir mercek ve 18 mm uzunluğunda çerçeve desteğine sahip olması gerektiği bulunmuştur. Bu durumda gözlüksüz duruma göre ÖSO değerinde % 64 oranında azalma saptanmıştır.

Genel olarak gözdeki ortalama ÖSO miktarını etkileyen başlıca özellik çerçevenin boyutunun olduğu ve dar ve yüksek çerçeveli gözlüklerin en yüksek ÖSO değerlerini verdiği gösterilmiştir. Ayrıca 1.8 GHz de dikdörtgen çerçeveli gözlükler eliptik çerçeveli gözlüklere oranla gözde daha yüksek soğurma oranına sahipken, merceğin kalınlığını ve üretildiği materyalin yoğunluğunu artırmanın da gözdeki ortalama ÖSO değerini % 15’e kadar yükselttiği görülmüştür.

Elektromagnetik dalganın kaynağının ÖSO üzerine etkisini araştırmak için 1.8 GHz de E_z düzlemsel dalga yerine, burnun 8 cm önüne z doğrultusunda bir dipol konmuştur. Dipol girişine 0.6 W güç uygulanmıştır. Şekil 5 z doğrultulu dipol ile E_Z düzlem dalgası ile uyarılan gözlüklü ve gözlüksüz bir gözdeki ortalama ÖSO değerlerini göstermektedir. Düzlem dalga uyarımıyla alınan sonuçlar, genliklerin karşılaştırılabilir olması için, 1/15 oranında ölçeklendirilmiştir. Ölçeklenen sonuçlar 1.5 ile 3.0 GHz frekans aralığında her iki uyarım için çok benzerdir. Aynı gözlükler 1.8 GHz frekansında gözdeki ortalama ÖSO değerini yaklaşık % 160 oranında arttırırken, 2.4 GHz frekansı civarında yaklaşık olarak % 80 oranında azaltmıştır. Sonuçtan da anlaşıldığı gibi gözde ortalama ÖSO değeri uyarıcı kaynaklara bağlı çıkmamıştır. ÖSO değerini asıl etkileyen değerler çerçevenin tipi ve boyutları olmuştur.

Şekil 5. İki farklı kaynak kullanılarak hesaplanan ÖSO değerlerinin frekansla değişimi

(z-dipol ve E_z polarize düzlem dalga). 

Genetik Algoritma Kullanarak E_y-Polarize Düzlem Dalga için ÖSO Hesabı

Bu bölümde kafa döndürülerek x yönünden gelen ve güç yoğunluğu 50 W/m² olan bir E_y  polarize düzlem dalgasıyla uyarılmıştır. Gözdeki en yüksek ortalama ÖSO değeri ve maksimum ÖSO_1G değerini araştırmak için yukarıda taslağı açıklanan parametrelerin aynılarıyla, Genetik Algoritma (GA) kullanılmıştır. GA ile yapılan çalışmada gözde ortalama ÖSO değerini arttıran bir gözlük modeli bulamamıştır. Gözdeki maksimum ortalama ÖSO 0.836 W/kg olarak bulunmuş ve bu değer aynı uyarımla gözlüksüz bir kafadakine oranla % 45 lik bir azalmaya karşı gelmiştir. Maksimum ÖSO değerini veren gözlük modeli, gözün 32 mm önünde, 48 mm genişlik 38 mm yükseklikte dikdörtgen çerçeveli, 6 mm kalınlığında cam mercekli ve destek uzunluğu 16 mm olarak bulunmuştur. E_y polarize düzlem dalga ile uyarılan bir kafada çerçeve özelliklerini değiştirmek gözde soğurulan ortalama ÖSO değerine etkisi, E_Z polarize düzlem dalganın uyardığı duruma oranla daha önemsiz bulunmuştur.

            Şekil 5’de 1.5 ile 3.0 GHz frekansları arasında y doğrultulu dipol ile, E_y düzlem dalgası ile uyarılan gözlüklü ve gözlüksüz bir gözdeki ortalama ÖSO değerlerini gösterilmektedir. Düzlem dalga uyarımıyla alınan sonuçlar, genliklerin karşılaştırılabilir olması için, 1/15 oranında ölçeklendirilmiştir. Göz önüne alınan frekans aralığında, gözlüklü ve gözlüksüz durumlarda, y doğrultulu dipol ve E_y düzlem dalga uyarımlarıyla alınan sonuçlar yine benzerlik göstermiştir. Göz önüne alınan frekans aralığında gözlük kullanımı gözdeki ortalama ÖSO değerini gözlüksüz duruma göre büyük oranda azaltmıştır.  

Şekil 5. İki farklı kaynak kullanılarak hesaplanan ÖSO değerlerinin frekansla değişimi

(y dipol ve E_y polarize düzlem dalga).

GA ile Metal Çerçeveli Gözlük Boyutlarının ÖSO Üzerine Etkisinin Araştırılması

GA ile yapılan analiz sonucunda gözdeki ÖSO değerini etkileyen en önemli faktörün gözlük çerçevesinin boyutu ve şekli olduğu görülmüştür. Bu bölümde haberleşmede sık kullanılan frekanslarda (1.8 ve 2.4 GHz) değişik boyut ve şekillerdeki çerçeveler incelenmiştir. Modelin gerçekliğini arttırmak için çözünürlük 1 mm alınmış ve göz kapakları da açık kabul edilmiştir. Uyarım 50 W/m² güç yoğunluğuna sahip dikey olarak polarize bir düzlem dalgadır. Çerçevelerin boyutları 34 ten 44 mm ye kadar değişirken, 2 mm kalınlıkta bir Perspex mercek kullanılmış ve kollar çerçeveye dikey seçilmiştir.

Şekil 6’da görüleceği gibi gözdeki ÖSO_1G değeri ortalama ÖSO değerinin yaklaşık iki katı çımıştır. Bu boyutlarda kare ve daire şeklinde gözlük kullanmak gözdeki ÖSO yu 1.8 GHz frekansında genellikle artırmış, 2.4 GHz frekansında ise azaltmıştır. Bu sonuç aşağıdaki koşullar haricinde incelenen tüm çerçeveli gözlükler için geçerlidir. 44 mm kare çerçeveli gözlük kullanımı gözdeki ÖSO değerini 1.8 GHz frekansında azaltmıştır. 34 mm ve 36 mm dairesel çerçeveli gözlükler ise 2.4 GHz frekansında gözdeki ÖSO değerini artırmıştır. 1.8 GHz frekansında dairesel çerçeveli gözlüğün boyutu artırıldığında gözdeki ortalama ÖSO değerinin de artığı görülmüştür. Aynı frekansta 38 mm kare çerçeveli gözlük kullanımı gözdeki ortalama ÖSO değerini % 146 artırmıştır. 2.4 GHz frekansında ise 44 mm dairesel çerçeve kullanımı ise ortalama ÖSO değerini %80 azaltmıştır. 

Şekil 6. 1.8 ve 2.4 GHz frekanslarında farklı gözlük modellerinin boyutları ile Maksimum ÖSO_1g değişimi.

Çalışmanın sonucunda metal çerçeveli gözlük kullanan kişilerde, gözde soğurulan elektromagnetik enerjinin birimi olan ÖSO değerinin frekans, uyarım tipi, çerçeve boyut ve şekline bağlı olarak arttığı ve azaldığı gösterilmiştir. Yatay olarak polarize edilen düzlem dalga ve dipol kaynaklar söz konusu olduğunda gözlük kullanmanın gözdeki ÖSO değerini azalttığı bulunmuştur. Ancak z polarize kaynak uyarımı olduğunda y polarize kaynağa oranla yaklaşık 4 kat enerjinin gözde emildiği tespit edilmiştir. Gelecekte yapılacak kapsamlı çalışmalar ile metal çerçeveli gözlüğün insan sağlığına etkileri gün ışığına çıkarılacaktır.

Kaynak:  

Will G. Whittow and Rob M. Edwards, “A Study of Changes to Specific Absorption Rates in the Human Eye Close to Perfectly Conducting Spectacles Within the Radio Frequency Range 1.5 to 3.0 GHz”, IEEE Trans. on Anten. and Prop., Vol.52, No.12, Dec. 2004.