Distinction entre la population générale et les travailleurs

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Restrictions de base et niveaux de référence

Pour l’application des normes d’exposition sur les effets éventuels des champs EM sur la santé, il convient de faire une distinction entre deux catégories de valeurs limites : les restrictions de base et les niveaux de référence.

Restrictions de base

Les restrictions de base sont les valeurs limites d’exposition du public général à des champs électriques, magnétiques et EM variables dans le temps. Elles sont fondées directement à partir des effets avérés sur la santé. Pour que la protection contre les effets défavorables sur la santé soit assurée, il faut que ces restrictions de base ne soient pas dépassées.
Elles s’appliquent sur des grandeurs (section 1.1.4) à évaluer à l’intérieur du corps humain exposé. Cette mesure étant difficile à réaliser in-vivo, des niveaux de référence à respecter à l’extérieur du corps sont définies.
Dans les réglementations concernant l’exposition des travailleurs, ces restrictions sont appelées « valeurs limites d’exposition ».

Niveaux de référence

Les niveaux de référence sont indiqués à des fins d’évaluation pratique de l’exposition du public général, afin de déterminer, lorsque comparés avec les valeurs mesurées ou calculées, si les restrictions de base risquent d’être dépassées.
Les niveaux de référence sont majoritairement obtenus à partir des restrictions de base par modélisation mathématique et extrapolation des résultats de recherches en laboratoire pour des fréquences spécifiques.

Définitions et État de l’art de l’étude d’exposition

Le respect des niveaux de référence recommandés garantit ainsi la conformité aux restrictions de base. Toutefois, si les valeurs mesurées ou calculées sont supérieures aux niveaux de référence, il n’en découle pas nécessairement un dépassement des restrictions de base, notamment en cas de faible couplage entre le champ et l’organisme. Dans de telles circonstances, néanmoins, il conviendrait de vérifier le respect des restrictions de base correspondantes et de déterminer si des mesures de protection complémentaires sont nécessaires.
Dans les normes concernant l’exposition des travailleurs, ces niveaux sont appelées « valeurs déclenchant l’action » (VA).
Les valeurs des restrictions de base et des niveaux de référence recommandées pour le public général sur la totalité du spectre sont détaillées dans Annexe A.

Grandeurs physiques

Les restrictions de base à l’exposition aux champs EM sont spécifiées par différentes grandeurs dosimétriques, compte tenu des différentes gammes de fréquences et des différents effets sanitaires plausibles :
– entre 1 Hz et 10 MHz, les restrictions de base s’appliquent à la « densité de courant » (J) ;
– entre 100 kHz et 10 GHz, les restrictions de base sont prévues pour le « débit d’absorption spécifique » (DAS) ;
– entre 10 et 300 GHz, les restrictions de base s’appliquent à la « densité de puissance » (S).
Parmi ces grandeurs physiques, seule la densité de puissance peut être facilement mesurée dans l’air, à l’extérieur du corps.
Pour les fréquences comprises entre 100 kHz et 10 MHz comprenant un risque d’effets thermiques et non thermiques, les restrictions de base s’appliquent à la fois à la densité de courant J et au DAS.
Les niveaux de références s’appliquent sur l’intégralité du spectre à des grandeurs physiques dérivées de celles présentées ci-dessus, et qui sont plus facilement mesurables à l’extérieur du corps :
– intensité de champ électrique (E),
– intensité de champ magnétique (H),
– densité de flux magnétique (B),
– la densité de puissance (S),
Or, les effets sanitaires plausibles des différentes sources rayonnantes sont cumulatifs au sein de chaque gamme de fréquence. Par conséquent, un indice d’exposition est défini pour assurer le respect de chaque grandeur dosimétrique des restrictions de base (J, DAS ou S) dans sa gamme fréquentielle. Cet indice d’exposition est également exprimé à partir des grandeurs des niveaux de référence dérivées (E, H, B ou S). Ceci est détaillé dans la section suivante pour les champs magnétiques BF qui nous intéressent dans cette thèse.

État de l’art de l’exposition dans le domaine de l’automobile

Dans cette section, après un bref rappel de l’historique de l’étude de l’exposition dans section 1.2.1, nous présentons une synthèse de l’état de l’art de l’exposition aux champs EM dans le domaine de l’automobile sur l’intégralité du spectre ; basses fréquences et radiofréquences.
Ces deux gammes fréquentielles se distinguent par des effets biologiques et des mécanismes de couplage avec le corps humain différents. Ceci implique des différences en termes d’outils de simulation et de mesure adéquats. Par conséquent, les études qui s’intéressent à la problématique d’exposition sont réalisées dans une seule de ces deux bandes de fréquence. Par la suite, les travaux menés dans chacun de ces deux domaines fréquentiels seront présentés séparément dans les sections 1.2.2 pour les BF et 1.2.3 pour les RF.
Nous rappelons que malgré de nombreuses études cherchant une éventuelle relation entre une exposition à long terme aux champs EM et différentes pathologies (cancers solides, leucémies chez les enfants, troubles de la reproduction, etc.), aucune preuve d’une telle causalité n’est démontrée à ce jour. Pour cela, l’étude d’exposition est restreinte aux effets avérés.

Historique

Les effets des champs EM sur le corps humain sont l’objet d’études scientifiques depuis plus de 30 ans [5, 6]. Cependant, la relation entre biologie et électromagnétisme avait déjà suscité l’intérêt des savants dès le 19ème siècle.
En effet, Arsène D’arsonval, fondateur de Supélec et auteur d’oeuvres considérables dans l’électrophysiologie, s’est intéressé à l’excitabilité des muscles et l’échauffement possible des organes dès 1881.
Peu après, Louis Lapicque réalise au début du 20ème siècle des travaux cruciaux sur l’excitabilité des nerfs et des muscles. En 1907, il publie son célèbre article [7], décrivant la membrane des cellules excitables sous la forme d’un circuit électrique équivalent. Ce modèle, fondé sur un simple circuit capacitif, servirait de base pour les modèles ultérieurs de la membrane. Ceci peut être considéré comme la première modélisation dans le domaine de l’exposition.
Cette problématique de société a motivé, en 1974, la constitution d’un groupe chargé des études relatives aux rayonnements non ionisants. Ce groupe, qui porte en 1977 le nom du Comité International des Rayonnements Non Ionisants (INIRC), fournit en collaboration avec l’Organisation Mondiale de la Santé des documents sur les critères d’hygiène à respecter afin de se protéger contre les rayonnements non ionisants. Enfin, en 1992, la Commission Internationale pour la Protection contre les Rayonnements Non Ionisants (ICNIRP) viendra succéder à l’INIRC. Le guide élaboré par l’ICNIRP en 1998 a servi de référence pour l’établissement de recommandations européennes actuellement en vigueur.

Basses fréquences (1 Hz – 10 MHz)

Il est à noter qu’à la date de début de cette thèse, l’exposition aux champs BF dans le domaine de l’automobile n’a été évoquée que très peu dans la littérature [8, 9]. Ceci s’expliquait par la relative nouveauté des technologies des VE et de la définition de normes de santé qui ne datent que de quelques décennies.
Or, la question de l’exposition aux champs BF rayonnés par les VE commence à préoccuper les conducteurs et les passagers qui s’inquiètent des niveaux de champ auxquels ils sont exposés et des effets plausibles sur leur santé. Ceci s’est traduit par une émergence constatée des études dans ce domaine fréquentiel depuis quelques années. Une synthèse de ces travaux est donnée dans section 1.2.2.1.
En l’absence d’une littérature couvrant entièrement ce domaine, des résultats provenant d’études du champ magnétique BF effectuées dans des domaines transverses comme le réseau ferroviaire, l’aéronautique ou plus généralement dans des cavités semblables aux véhicules peuvent être exploités.
Le domaine le plus analogue à celui de l’automobile est le domaine du réseau ferroviaire et des systèmes de transport. De nombreuses mesures sont effectuées pour étudier l’exposition au champs magnétiques autour de 50 Hz sur le réseau ferroviaire russe et suisse [10, 11, 12] et sur lignes de trains italiens à grande vitesse [13, 14, 15] ainsi que dans la rame d’un métro [16].
En outre, plusieurs études approfondies sur l’exposition des travailleurs aux champs BF générés par les pinces de soudage peuvent être également utiles comme base de départ pour l’étude des basses fréquences dans le domaine de l’automobile[17, 18].
Ces résultats peuvent être exploités en les appliquant sur les problématiques physiques et méthodologiques dans le domaine de l’automobile, notamment en ce qui concerne le rayonnement des câbles et les outils de mesure et de simulation adaptés à ce domaine fréquentiel.
Par ailleurs, nous rappelons que (section 1.1.2) dans le domaine BF nous nous situons le plus souvent en zone de champ proche où l’étude de l’exposition doit être faite de façon séparée pour les champs électriques et les champs magnétiques.

Champs électriques basse fréquence

Concernant les champs électriques basse fréquence, des données expérimentales ainsi que des arguments théoriques suggèrent que la composante électrique du champ en basse fréquence est moins susceptible d’affecter les passagers d’un véhicule que la composante magnétique qui, elle, n’est pratiquement pas arrêtée par les différents matériaux de l’environnement entourant les passagers. Ceci peut être facilement vérifié par mesure.
Il est à noter que le gabarit de champ électrique à respecter pour l’homologation d’une pièce du véhicule d’un point de vue CEM est beaucoup plus restrictif que les niveaux de référence réglementaires du champ électrique.
De ce fait, dans la littérature, les études de champ électrique réalisées dans le domaine de l’automobile sont centrées sur la problématique CEM et ne traitent pas de l’exposition.
L’état de l’art suivant concerne donc uniquement le champ magnétique dans la bande BF.

Étude des différents modules de la chaine de traction

Les véhicules électriques et hybrides comprennent une grande variété d’architectures de puissance. Cependant, une caractéristique commune de ces véhicules est qu’ils utilisent une alimentation électrique importante (de l’ordre de 5-200 kW, en fonction du type du véhicule). Compte tenu des contraintes de taille et de l’espace des véhicules, les passagers sont donc susceptibles d’être relativement proches d’un système électrique de puissance élevée : la chaîne de traction électrique.
Cette chaine, constituée principalement d’une batterie haute tension, d’un onduleur et d’un moteur électrique, ainsi que des câbles les reliant, est traversée par des courants importants de centaines d’ampères. Ainsi, elle représente la source principale des risques d’exposition au champ magnétique BF dans l’automobile. C’est pourquoi, différentes études se sont intéressées au champ rayonné par chacun des modules de la chaine de traction, ainsi qu’à la conformité de ces modules aux normes d’exposition.

Onduleur

Parmi tous les éléments de la chaîne de traction, l’onduleur (convertisseur AC-DC) est le seul dispositif non linéaire. Il a pour rôle de convertir, par une commutation à haute fréquence (quelques kHz), le signal DC provenant de la batterie en un signal alternatif triphasé (plusieurs dizaines de Hz) qui alimente le moteur électrique. De ce fait, il est le composant le plus difficile à analyser étant donné qu’il traite de signaux à différentes fréquences.
Vu sa complexité, l’onduleur est le sujet de quelques études visant à modélisant ce dispositif non linéaire, la plus complète étant celle-ci [19] où une méthodologie pour évaluer le champ magnétique créé par cette pièce de la chaîne de traction est proposée par simulation et par mesure.
Afin de déterminer si l’onduleur pourrait être une source plausible de risques d’exposition dans un véhicule électrique (VE), le champ magnétique généré par un onduleur est modélisé et validé par mesure dans cette étude. La simulation est basée sur la méthode des éléments finis (FEM) en utilisant le logiciel Ansoft Maxwell 3D.

Table des matières

Introduction Générale 
1 Définitions et État de l’art de l’étude d’exposition 
1.1 Définitions
1.1.1 Distinction entre la population générale et les travailleurs
1.1.2 Domaines fréquentiels
1.1.3 Restrictions de base et niveaux de référence
1.1.4 Grandeurs physiques
1.1.5 Niveaux de référence et indice d’exposition dans notre domaine d’étude
1.2 État de l’art de l’exposition dans le domaine de l’automobile
1.2.1 Historique
1.2.2 Basses fréquences (1 Hz – 10 MHz)
1.2.3 Radiofréquences (100 kHz – 300 GHz)
1.3 Conclusions du chapitre
2 La mesure d’évaluation de l’exposition 
2.1 Calcul de l’indice d’exposition pour le public général
2.1.1 Les différentes définitions d’indice d’exposition
2.1.2 Raisonnement en temporel
2.1.3 Moyennage sur la durée d’exposition
2.2 Compréhension du champmètre Narda ELT-400
2.2.1 Présentation de l’appareil
2.2.2 Schémas fonctionnels de l’appareil
2.3 Applications sur des cas de mesures
2.3.1 En statique : Champ rayonné par une boucle élémentaire
2.3.2 En dynamique : Champs magnétiques rencontrés sur le réseau routier
2.4 Conclusions du chapitre
3 Modèle de la mesure d’évaluation d’exposition 
3.1 Modélisation de la sonde ELT-400 : Champ réel rayonné ⇒ Induction détectée
3.1.1 Choix de l’outil de simulation
3.1.2 Construction du modèle de la sonde
3.1.3 Vérification du modèle sur des profils de champ homogène et inhomogène
3.1.4 Critère d’inhomogénéité
3.2 Modélisation du traitement du champmètre : Induction détectée ⇒ Indice d’exposition
3.2.1 Filtres associés à la bande de fonctionnement de l’appareil
3.2.2 Filtres de pondération ICNIRP pour l’obtention de l’indice d’exposition
3.2.3 Obtention des sorties analogiques et numériques des différents modes du champmètre
3.3 Conclusions et récapitulatif du chapitre
4 Validation du modèle complet sur des cas réels de mesures 
4.1 Matériels et Méthodes
4.1.1 Présentation des pinces à souder
4.1.2 Matériels et procédure de la mesure réelle
4.1.3 Procédure de la mesure virtuelle
4.2 Cas d’étude 1 : Pince à souder à 50 Hz (côté), mode 0
4.2.1 Validation du modèle de la sonde sous FEKO
4.2.2 Validation du modèle de traitement du champmètre sous Matlab
4.3 Cas d’étude 2 : Pinces à souder à 50 Hz (côté), mode 8
4.3.1 Validation du modèle de la sonde sous FEKO
4.3.2 Validation du modèle de traitement du champmètre sous Matlab
4.4 Cas d’étude 3 : Pinces à souder à 1 kHz redressé (côté), mode 6
4.4.1 Validation du modèle de la sonde sous FEKO
4.4.2 Validation du modèle de traitement du champmètre sous Matlab
4.5 Conclusions du chapitre
5 Exploitation du modèle : Méthode Monte-Carlo 
5.1 Explication de l’application
5.2 Application à différentes distances de sources rayonnantes élémentaires
5.2.1 Cas 1 : Fil infini (décroissance en 1d )
5.2.2 Cas 2 : Ligne bifilaire (décroissance en 1d2 )
5.2.3 Cas 3 : Dipôle magnétique (décroissance en 1d3 )
5.3 Conclusions du chapitre
Conclusion générale et Perspectives 
A Restrictions de base et Niveaux de référence pour la population générale
A.1 Restrictions de base
A.2 Niveaux de référence
B Article publié sur les champs magnétiques basse fréquence rencontrés sur le réseau routier
C Code Matlab du traitement Narda ELT-400
C.1 Implémentation du filtre PB sous Matlab
C.2 Implémentation du filtre PH sous Matlab
C.3 Implémentation du filtre de pondération tous les effets sous Matlab
C.4 Implémentation du filtre de pondération effets non thermiques sous Matlab
C.5 Obtention de la sortie numérique RMS moyennée sur une fenêtre glissante sous Matlab
D Filtrage linéaire par morceaux
Publications
Bibliographie

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