（机械电子工程专业论文）高频感应焊接操作环境的电磁辐射特点与安全评估.pdf

、 ， ：0f ， 0u 独创性声明 1 1 1 11 11iiii iii i l1 11i il y 17 8 8 4 5 5 本人声明所晕交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工j i k 大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：同期：力口d 罗夕，。 同期：孑竺竺z ：! 。 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：二趑导师签名： f = i 期： m 研7 矽 1 一 摘要 摘要 焊接j 人在实施高频焊接过程中，直接暴露于焊接设备所产生的电磁场 中，其人身安全和健康将受到现场电磁环境的不利影响。目前，焊接现场的电磁 场对操作人员健康的影响已得到日益广泛的关注，相关部门正在进行焊接电磁环 境防护标准及安全评估工作。本课题研究工作的内容是根据高频感应焊接环境的 电磁辐射问题，分析高频焊接电磁场辐射的特点，为制定焊接人员的电磁曝露环 境的国家标准提供可参考的评估数据和相应检测技术的支持。 高频感应焊接过程电磁场分布特点是高频感应焊接研究的难点。高频感应焊 接研究的关键问题是从场源分析电磁场的特性。通过高频感应焊接过程电磁辐射 测试与电磁评估相关参数的测量对比出发，研究高频感应焊接电磁场的产生机 理，评估焊接过程电磁环境，分析高频焊接过程电磁辐射的危害。 在本文中对高频感应焊接设备存在的电磁辐射安全问题作了调查与分析， 提出了电磁污染的防护的基本原理，并对高频焊接电磁辐射频蔽后的设备作了检 测，分析了高频感应焊接电磁辐射屏蔽效率。得出在高频焊接设备剧围存在着严 重的电磁辐射问题，辐射强度超出了相关的辐射卫生标准，通过高频感应焊接电 磁辐射屏蔽，能够有效地减少电磁辐射问题。 研究表明，高频焊接过程电流变化频率大，操作人员长期曝露该电磁环境中， 如不采取有效的防护措施对其健康会有一定程度的影响。同时，增加了作业人员 对焊接设备电磁辐射的防护意识并且为建立符合我国国情的、便于实际工业环境 或生产现场测量的焊接电磁环境安全标准及评估工作起到了积极的促进作用。 关键词高频焊接；电磁辐射；安全与防护；评估 i 匕京t 、l k 人学i f n f i ! ；! 卜学f t 论殳 a b s t r a c t a b s t r a c t d u r i n gt h ew e l d i n gp r o c e s s ，w e l d e r sa r ee x p o s u r e dd i r e c t l yt oe l e c t r o m a g n e t i c f i e l d sg e n e r a t e db yh i g h - f r e q u e n c yw e l d i n ge q u i p m e n t t h es a f e t ya n dh e a l t h yo f w e l d e r sw i l lb et h r e a t e n e db yt h i se l e c t r o m a g n e t i cp o l l u t i o n n o w a d a y s ，t h ea d v e r s e i n f l u e n c eh a sh a db r o a da t t e n t i o nr e g a r d i n gt h ee x p o s u r eo fw e l d e r st ot h er i s k s a r i s i n gf r o me l e c t r o m a g n e t i cf i e l df r o mw e l d i n gp r o c e s s t h er e l a t e dd e p a r t m e n ti s e s t a b l i s h i n gt h es t a n d a r df o rw e l d e re x p o s u r et oe m fa n ds a f e t ye v a l u a t i o n t h i s r e s e a r c hw o r ki sb a s e do nh i g hf r e q u e n c yi n d u c t i o nw e l d i n go ft h ee l e c t r o m a g n e t i c r a d i a t i o ne n v i r o n m e n ti s s u e s ，a n a l y s i se l e c t r o m a g n e t i cf i e l dr a d i a t i o nc h a r a c t e r i s t i c s o fh i g h f r e q u e n c yw e l d i n g ，t h em a i n p u r p o s eo fr e s e a r c h a b o u te x p o s u r et o e l e c t r o m a g n e t i ce n v i r o n m e n td u r i n gw e l d i n gi s t oe v a l u a t et h ee f f e c t so nt h e o p e r a t o r sc a u s e db yt h ee l e c t r o m a g n e t i cf i e l d ，w h i c hb e l o n g s t ot h ew e l d i n g e n v i r o n m e n ti s s u e s h i g hf r e q u e n c yi n d u c t i o nw e l d i n gp r o c e s sc h a r a c t e r i s t i c so fe l e c t r o m a g n e t i c f i e l dd i s t r i b u t i o ni st h es t u d yo fh i g h f r e q u e n c yi n d u c t i o nw e l d i n gd i f f i c u l t r e s e a r c h o nh i g h f r e q u e n c yi n d u c t i o nw e l d i n g ，t h ek e yq u e s t i o n i s a n a l y s i s t h es o u r c e c h a r a c t e r i s t i c so fe l e c t r o m a g n e t i cf i e l d s t h r o u g he l e c t r o m a g n e t i c r a d i a t i o na n d e l e c t r o m a g n e t i ct e s t i n gt oa s s e s st h er e l e v a n tp a r a m e t e r sf r o mt h em e a s u r e m e n to f c o n t r a s t ，r e s e a r c hh i g h - f r e q u e n c yi n d u c t i o nw e l d i n gm e c h a n i s mo fe l e c t r o m a g n e t i c f i e l d st oa s s e s st h ee l e c t r o m a g n e t i ce n v i r o n m e n to ft h ew e l d i n gp r o c e s s ，a n a l y s i so f h i g h - f r e q u e n c yw e l d i n gp r o c e s sh a z a r d so fe l e c t r o m a g n e t i cr a d i a t i o n i n t h i sp a p e r , i n v e s t i g a t i o na n da n a l y s i st h ee l e c t r o m a g n e t i cr a d i a t i o ns a f e t y i s s u e s ，g i v et h eb a s i cp r i n c i p l e s o fp r o t e c t i o na b o u te l e c t r o m a g n e t i cp o l l u t i o n a n a l y s i sh i g hf r e q u e n c yi n d u c t i o nw e l d i n ge f f i c i e n c yo fe l e c t r o m a g n e t i cr a d i a t i o n s h i e l d i n g c o m ea r o u n di nt h eh i g h - f r e q u e n c yw e l d i n ge q u i p m e n tt h e r ei s as e r i o u s p r o b l e mo fe l e c t r o m a g n e t i cr a d i a t i o n ，t h er a d i a t i o ni n t e n s i t yo fr a d i a t i o ni n e x c e s so f t h er e l e v a n th e a l t hs t a n d a r d s ，t h r o u g ht h eh i g h - f r e q u e n c yi n d u c t i o nw e l d i n gs h i e l d i n g e l e c t r o m a g n e t i cr a d i a t i o n ，c a ne f f e c t i v e l yr e d u c et h ep r o b l e mo fe l e c t r o m a g n e t i c r a d i a t i o n s t u d i e sh a v es h o w nt h a th i g h f r e q u e n c yc u r r e n tc h a n g e si nt h ef r e q u e n c yo ft h e w e l d i n gp r o c e s s ，a n do p e r a t o r o fl o n g t e r m e x p o s u r e t ot h e e l e c t r o m a g n e t i c e n v i r o n m e n t ，i fi td o e sn o tt a k ee f f e c t i v ep r o t e c t i v em e a s u r e sw i l lh a v et h e i r h e a l t ht o ac e r t a i ne x t e n t i i i e 京r 业人学r ：稃坝卜学他论文 t h r o u g ht h er e s e a r c ho ft h i sp a p e r , h u m a nh a sad e e p e ru n d e r s t a n d i n gf o rs t u d y a n de v a l u a t i o no fe m fi nw e l d i n gl o c a t i o n a tt h es a m et i m e ，t h i sp r o m o t e st o e s t a b l i s ht h ec h i n e s eo w ns t a n d a r da n dh a sr e a l i z a b l em e a n i n g k e yw o r dw e l d i n g ，e l e c t r o m a g n e t i cr a d i a t i o n ，s e c u r i t ya n dp r o t e c t i o n ，e v a l u a t i o n h录 目录 摘要i a b s t r a c t i i i 第1 章概述1 1 1研究的背景及意义l 1 2 焊接电磁辐射环境研究现状3 1 2 1国外研究3 1 2 2国内研究3 1 3高频电磁辐射与低频电磁辐射的区别4 1 3 1电磁场与电磁辐射4 1 3 2 高频电磁辐射与低频电磁辐射的区别5 1 4 高频电磁辐射的生物效应与机制9 1 5 本课题研究内容1o 第2 章高频感应焊接过程电磁辐射环境1 1 2 1高频感应焊接过程的电磁场分布特点1 1 2 1 1高频感应原理1 1 2 1 2 高频感应焊接原理1 2 2 1 3高频感应焊接电源1 4 2 1 4 高频焊接电磁场特性1 6 2 2 高频感应焊接过程电磁辐射测试17 2 2 1 测试基础1 7 2 2 2测试实例2 0 2 3本章小结2 3 第3 章高频感应焊接过程电磁辐射的安全与防护2 5 3 1高频感应焊接电磁辐射的安全问题2 5 3 1 1高频感应焊接设备的电磁辐射问题2 5 3 1 2 高频感应电磁辐射对人体的影响2 6 3 2高频感应焊接电磁辐射防护措施2 7 3 2 1电磁污染防护的基本原理和方法2 7 3 2 2高频感应焊接电磁辐射屏蔽2 9 3 2 3高频感应焊接电磁辐射屏蔽效率分析31 3 3 本章小结3 3 第4 章高频感应焊接电磁辐射防护标准的构建3 5 4 1 国内相关标准3 5 v 北京t 、l p 人! t 手廿f ! ；! l j 学f ? i 论殳 4 2国际上相关标准3 5 4 3 高频感应焊接过程电磁辐射的评估与危害分析3 9 4 3 1高频感应焊接过程电磁辐射的评估3 9 4 3 2高频感应焊接过程电磁辐射的危害分析4 1 4 4 本章小结4 2 v i ，_ ) _ ， 钙 钙钾 一 一 一 一 一 一 献 文 论考谢 结参致 第l 尊微述 1 1 研究的背景及意义 第1 章概述 现代社会，各种电子、电器设备或系统得到越来越广泛的应用高密度、宽频 谱的电磁信号充满整个人类生存的空间，构成了极其复杂的电磁环境。人们在享 受其带给生活工作方便的同时，也深刻的认识到电磁环境污染所带来的不利影 响。例如电磁辐射对生物体的机体的影响，高频场会对生物体的神经系统、心血 管系统和免疫系统等产生效应。现已证明，高频场电磁污染造成的病理结果至少 有十几种，如失眠、暴躁、记忆力丧失、神经质和疲乏、遗传效应、白内障、心 血管病等。 电磁环境对人类及生物的影响己不属于各个电子设备之问的问题，而是涉及 到生命现象及系统的本身。因此必须注意到生命现象及系统的两大特征：其一是 丌放性，生命系统是不l 日j 断地与外界进行能量与物质交换的开放系统；其二是演 变性，人体细胞都随时间在发生变化，是一个不断演变和进化的结果。在开展焊 接条件下电磁辐射对操作人员影响的工作中不仅需要检测其“短时效应”，而 且需要注重其时间的“滞后与累积效应”【5 1 。 随着人们对环境保护意识的增强，人们对暴露在电磁场中可能危害健康状况 问题极为关心。世界各国都规定了有关方面的控制标准，以便规范人类活动达到 既能充分利用电磁场和电磁波为人类发展服务又能将电磁波的危害影响减少到 最小。人们对电磁场的危害方面已经做过多项的研究，但是由于客观条件的限制 和人类对电磁辐射和电磁波作用的认识的局限性，人们对电磁辐射标准的认识还 不统一。 近年来，越来越多的研究表明电磁场会对生物体产生作用，而人类周围电磁 环境变化势必对生物特别是人体这个电磁兼容系统产生影响【l2 1 。人们对此已经 进行了一系列重要的研究，并逐渐形成了一门新的边缘学科一生物电磁学。它是 研究从直流到远红外电场、磁场和电磁场与生物系统相互作用的科学，包括生物 体内源电磁场及生物组织电磁性质的测定和电磁场在生物医学中的应用，电磁场 与人体的相互作用的生物效应等等。 焊接技术在工业生产中具有重要的位置，其水平高低将对整个工业水平的提 高和发展起着重要的作用。焊接设备素有“工业缝纫机”之称，是国民经济发展 不可缺少的重要设备。 在焊接过程中，焊接回路通常有从几十到几万安培的电流。目前，在我国汽 车、航空、航天、轻工产业等有大量的工人正服务于这个行业，焊接设备所产生 e 京t 业人学t 稃帧1 1 学他论文 的低频强磁场直接作用于人体，从而产生电磁暴露。而操作人员足处于一种无电 磁防护的状态f 实施焊接作业的，其人身安全和健康情况必然会受到焊接现场电 磁辐射的不利影响，随着电子技术的发展尤其是高功率和高频率电子元器件在焊 接设备中的大量使用而变得更加突出。与传统的焊接设备相比，采用现代电子元 器件的新型焊接设备所产生的电磁场功率越来越大，其频率、波形和调制方法也 出现多样化，这势必使得作业人员遭受更严重和更复杂的电磁暴露。 高频感应焊接技术是利用电磁感应原理对工件进行加热，实现焊接，其核心 是感应加热电源【lj 。优于感应加热具有加热速度快、热效率高、加热均匀和易于 实现机械化、自动化等优点，在铸造熔炼、锻造毛坯加热、钢管弯曲、金属表面 热处理、焊接、粉术冶会等行业中被广泛应用。随着感应加热理论和感应加热装 置的不断发展，其应用领域也随之扩大，应用范围越来越广，如微波炉、电磁炉 等已进入人们的日常生活。而感应加热技术的发展与感应加热电源水平密切相 关。 随着现代电力电子技术的不断发展，功率元件从电子管、可控硅、m o s f e t 到i g b t 等得到了广泛应用【2 0 1 ；再加上成熟的自动化控制技术，变频领域取得了 日新月异的变化。作为变频领域一支异军，高频焊机感应电源也取得了长足发展， 感应设备的功率和频率都在逐步提高。本课题研究高频感应电源基于i g b t 功率 元件，用于直缝焊管工艺，其大功率和高频率值证明其在感应电源领域达到了较 高的技术水平。但正是由于大功率和高频率产生的焊接环境是本课题关注的焦 点。 大量的焊接工人服务于这个行业，而在焊工实施焊接作业的过程中，大电流、 高功率的焊接设备所产生的电磁辐射直接作用于人体，从而使工人遭受电磁暴 露。通常焊工是处于一种无电磁防护的状态下实施焊接作业的，其人身安全和健 康情况必然会受到作业现场电磁辐射的不利影响，与传统的焊接设备相比，采用 现代电子元器件的新型焊接设备所产生的电磁场功率越来越大，其频率、波形和 调制方法也出现多样化，这势必使得作业人员遭受更严重和更复杂的电磁暴露。 所以随着电子技术的发展尤其是高功率和高频率电子元器件在焊接设备中的大 量使用，焊接环境电磁安全问题将变得更加突出。现在人们对暴露在电磁场中可 能危害健康状况的问题极为关心，很多国家已经规定了有关方面的控制标准以便 规范人类活动达到既能充分利用电磁场和电磁波为人类发展服务又能将电磁场 和电磁波的危害影响减到最小【1 2 】。我国目前尚未制定焊接电磁环境下的评估与 安全标准，因此本课题正是为了建立符合我国国情的焊接电磁环境标准及评估工 作的服务而开展的。 第l 节 c 述 1 2 焊接电磁辐射环境研究现状 1 2 1国外研究 关于电场和磁场中的人体已引起公众的关心，这促使国际和国家组织根据认 可的不良反应提出限值极限【l5 1 。世界卫生组织( w h o ) 一直密切关注由于暴露 于电磁场下而导致的健康效应，并且，i ：展了环境健康标准项目，整个项目由联合 国环境项目( u n e p ) 资助，用于评估频率范围在0 3 0 0 g h z 之i 日j 的静态以及时 变电磁场暴露对健康和环境的影响。该项目的研究结果由国际非电离辐射防护委 员会( i c n i r p ) 负责评估，对非电离辐射的健康防护提供建议和指导，并于1 9 9 4 年和1 9 9 8 年分别颁布了静态电磁场和时变电磁场的暴露限值导则。除此之外， 该项目还包括以下几个部分：物理特征、测量方法和仪器、应用软件、现阶段生 物效应文献的调研。以上研究成果为电磁暴露限值的提出提供了科学的依据。 国际非电离辐射防护委员会( i c n i r p ) 向世界各国推荐的电磁辐射限值导 则，已经被许多国际组织如世界卫生组织( w h o ) 、国际劳工组织( i l o ) 认可。 欧洲电工标准化委员会( c e n e l e c ) 以该导则为蓝本规定了焊接环境的电磁安 全防护标准己被部分欧盟困家采纳，并计划与2 0 0 8 年在整个欧盟国家推行。德 国是由国家立法采用i c n i r p 限值的第一个国家，英国国家辐射防护委员会 ( n r p b ) 2 0 0 4 年建议将i c n i r p 限值作为英国电磁防护的国家标准，澳大利亚 对工频磁场的限值规定也与i c n i r p 导则相同。 国电气及电子工程师学会( i e e e ) 于2 0 0 2 年( ( i e e es t a n d a r df o rs a f e t y l e v e l sw i t hr e s p e c tt oh u m a ne x p o s u r et oe l e c t r o m a g n e t i cf i e l d s 0 3 k h z ) ) 针对受 控环境和公众环境分别规定了人的头部和躯体最大磁场允许暴露值。这些限值的 规定是为了避免短时磁场暴露对人体的有害影响。 1 2 2国内研究 我国目前使用的电磁场曝露标准有卫生部颁布的环境电磁场卫生标准 ( g b 9 1 7 5 2 1 9 8 8 ) 、作j 业场所微波辐射卫生标准( g b l 0 4 3 6 2 1 9 8 9 ) 、作 业场所高频电磁场职业接触限值( g b l 8 5 5 5 2 2 0 0 1 ) ，以及国家环境保护局发 布的电磁辐射防护规定( g b 8 7 0 2 2 1 9 8 8 ) 等。这些限值主要是依据流行病 学调查结果，并辅以动物实验和理论推算结果确定的，与大部分西方国家的标准有 很大差别。这些标准曾在降低作业场所和环境中电磁场曝露水平方面起了很好的 作用，但由于国家环保局和卫生部规定的限值不一，在一定程度上造成国内相关 机构、企业和用户的无所适从，特别足加入w t o 后，面临与困际主要组织的电磁场 化京t q p 人! t 程硕i _ f 迂论殳 暴露限值协调统一的问题；另一方面随着经济社会的发展，信息发射设施、电磁 能利用设备、高压输变电没施和电牵引交通设施的建设和应用越来越广泛。我国 人u 众多，人l j 密集，卜述产生电磁能的设施( 设备) 在建设或安装时往往与周 围电磁敏感建筑和敏感没施距离甚近( 有些如移动通信基站、电牵引交通设施由 于功能需要，必须安装在人口密集区) 。因受土地及资金的限制，这些周围的敏 感建筑不能安置至距离足够远的合理位置。特别是上世纪九十年代开始，我国城 市化建设如火如荼，城市的扩张使新建的敏感建筑和设施“主动”向电磁源靠拢。 以上原因使得有必要在吸收各类研究成果的基础上对现行标准进行修订，对空i 日j 环境几趋增长的电磁场强度设定一个科学而又可操作的暴露限值，为贯彻中华 人民共和国环境保护法，满足电磁环境管理需要，完善国家环保标准体系，防 止电场、磁场、电磁场污染，保障公众健康，促进伴有电场、磁场、电磁场的实 践的正当发展，环境保护部已经决定修订国家环境保护标准电磁辐射防护规定 ( g b 8 7 0 2 8 8 ) 。 中国已正式参加国际电磁场计划协同研究计划，跟踪w h o 国际电磁场计划 研究进展，准确传递w h o 关于电磁环境与健康的公共信息，避免公众无端疑虑， 起了重要作用。我国在加入w h o 国际电磁场暴露标准协调工作组的基础上于 2 0 0 1 年3 月组织了1 个电磁辐射国家标准制定联合工作组进行电磁场辐射标准的 统一制定。目前，我国电磁兼容相关标准大多标准已经和国际标准接轨，部分标 准的制定即是相关国际标准的借鉴和实施；针对电磁曝露的标准我国也积极展开 研究，在国际电磁场计划的指导下根据自身的特点，于去年着手制定电场、磁 场、电磁场防护规定。在焊接电磁曝露问题方面，国家标准委员已展开制定适 合我国国情的焊接电磁环境标准，降低电磁场引起的危害。焊接电磁曝露的研究 是在国际电磁场计划的指导下进行，从低频电磁曝露可能引起的效应出发结合焊 接过程的特殊性开展，现阶段标准的研究工作已完成基本的电磁曝露测试、电磁 场理论分析等工作，基本形成焊接电磁场防护标准。 1 3 高频电磁辐射与低频电磁辐射的区别 1 3 1 电磁场与电磁辐射 麦克斯韦电磁场理论认为变化的电场会激起变化的磁场，而变化的磁场又可 以产生变化的电场，电现象与磁现象紧密地联系在一起这种交替产生的具有电场 与磁场作用的物质空间就称为电磁场。一般用电场强度或磁场强度等参数来表征 电磁场的强弱。任何电磁场发生源周围均有作用场存在，即以感应为主的近区场 也称感应场和以辐射为主的远区场又叫辐射场，它们的相对划分界限一般为一个 第1 章慨述 波长。电磁波办称为电磁辐射，是由于变化的电场和磁场相互交替作用而产生的， 由近及远，相互垂直，并与自己运动方向垂直的，以一定速度在空间内传播的过 程。 电磁现象自古就存在，电磁辐射是人类生存的重要环境因素之一。己有的 研究表明电磁辐射危害具体表现有各种各样彤式，归纳起来主要有以下两个大的 方面，一是电磁辐射对生活环境造成污染，构成对生物机体特别是人体的危害； 其次是对电气设备的干扰和破坏作用【7 】。辐射对人体的危害电磁辐射对人体危害 主要有两个大的方面热效应、非热效应。热效应是指生物体系统在大强度电磁辐 射的作用下，生物体内物质产生极化和定向分子热运动加剧，分子间的摩擦将促 使生物体的温度升高，这种使生物体温度升高的现象就称为热效应。非热效应是 指长时间低电平的电磁辐射照射到生物体上，虽不会使生物体温度显著上升，但 会使生物体产生电磁生物的变化，此种变化就称为非热效应。 1 3 2高频电磁辐射与低频电磁辐射的区别 w h o 从1 9 9 8 年至今，分别以“国际电磁场计划”信息发布文件( f a c ts h e e t s ) 的形式，在w h o 网站上，公命了其对不同频率电磁源与公众健康关系的官方意 见。分别阐述了不同频率电磁源曝露对人体的不同影响、作用机理及安全限值。 w h o 强调，不同频率的电磁源对生物体作用的机理是不同的。e m f 曝露对生物 系统产生何种影响，决定于电磁源的波长( 频率) 及其能量的大小。 电离辐射( i r ) 是频率极高的电磁波( x 射线与1 ，射线) ，它具有足够的光子 能量可把原子或分子内的电子撞出，产生带f 电荷的离子及带负电荷的电子，即 产生电离。对生物体，它能断丌细胞遗传物质分子中的d n a 化学键，并形成确 定的健康危害。 非电离辐射( n i r ) 是针对电磁频谱中频率和能量较低的频段部分( 波长大 于1 0 0 n m ) 的通用术语。在该频段中，光子能量太微弱，不足以产生电离，断开 细胞分子问的化学键。它们包括紫外线( u v ) 辐射和可见光、红外线、微波与 射频电磁波，以及极低频与静止的电场和磁场。不论非电离辐射的强度有多高， 都不能在生物系统中引起电离。但是，n i r 会产生其他生物效应，例如发热效应 和体内感应电流效应。w h o 还强调，需区别“生物效应”与“健康危害”的实质性 差别：当曝露引起某种可注意到或可检测到的生物系统内的变化时，就认为是出 现了生物效应；而当生物效应超出了生物体征常的代偿范围时，就可能产生了负 面健康影响，并导致某种健康危害。w h o 强调，生物效应并不都是有害的，有 些甚至是有益的。例如，日光产生热量使皮肤中血流加快；日光的曝露可御寒， 或帮助躯体活化维生素d 等，就是有益健康的例子。但日光灼伤或可致皮肤癌等 e 京i 。业人学- i | 稃坝卜学化沦丈 则属有害的健康影响。射频( r f ) 场属非电离辐射范围。产生射频场的电磁源 包括显示器与视频显示单元( 3 3 0 k h z ) 、调频无线电( 3 0 k h z - - - 一3 m h z ) 、工业 感应加热器( 0 3 、一3 m h z ) 、微波加热、透热疗法( 0 3 3 g h z ) 、雷达( 0 3 1 5 g h z ) 、 卫星、微波通信( 3 - - 3 0 g h z ) 以及太阳光( 3 - - 3 0 0 g h z ) 。射频范围内电磁场曝 露产生的生物效应主要是生物体内的热效应和体内感应电流。 超过1 0 g h z 频率的射频场，因频率高，故大部分能量在皮肤表面上被吸收， 只有非常小的能量渗透到皮下组织之中，对1 0 g h z 以上的频率，用场的强度即功 率密度来度量，以每平方米的功率( w m 2 、m w m 2 或l a w m 2 ) 计量。在射频场 的功率密度为1 0 0 0 w m 2 以上时，才会通过细胞杀伤产生有害健康影响( 如白内 障和皮肤灼伤) 。如此高的功率密度在日常生活环境中是遇不到的。只有在非常 靠近强力雷达的附近才可能出现，但这些区域是禁止人们逗留的。 低于1 0 g h z ( 到1 m h z ) 频率的射频场能渗透到组织内，并由于吸收而产生 热效应。渗透的深度随着频率的降低而变深。该频段射频场在体内组织中的吸收 可以用一定组织质量内的比吸收率( s a r ) 来度量，s a r 的单位为瓦每千克 ( w k g ) 。在此频率范围内，至少4 w k g 的s a r 曝露才会产生已知的有害健康影 响。这种强度的曝露只在离f m 调频天线几十米处才可能出现，这些区域是禁l e 人们进入的。 1 0 0 m h z - - 1 0 g h z 频段中，躯体组织内的感应产热可激起各种生理与热调节 上的反应，包括完成任务的能力降低，但这种有害影响在组织或躯体温升超过l 时才会出现；对胎儿发育、男性生育能力的影响或出生缺陷、白内障等危害可 在温升2 - - - 3 时出现，但这种曝露在日常生活环境中是不会遭遇的。高频焊机的 频率范围属于这一频率段。 低于1 m h z 的频率场中热效应未达到值得注意的程度，但是它在生物组织中 感应电流和电场。体内电流密度以安培每平方米( a m 2 、m a m 2 ) 度量，感应电 流至少要超过1 0 0 m m 2 才会对生物体的正常功能产生干扰，或导致非主动性的 肌肉收缩。美国电气电子工程师协会( i e e e ) 则认为采用体内电场强度( v m ) 来作为限制曝露的基本限值更为直接，并相应规定了生物体内特定部位电场强度 的允许基本限值。 目前的移动电话系统采用8 0 0 1 8 0 0 m h z 工作频率。移动电话使用者受到的 曝露高于居住在蜂窝基站附近的人群，但移动电话只是在呼叫时发送较强的射频 电磁能量，而基站则是连续发送信号的。w h o 指出，在公众可进入的基站附近， 射频曝露水平远低于国际标准，通常有不小于1 0 0 倍的安全因子。与移动通信基 站天线相比，电视和无线电广播天线发射的射频水平更高。据美国调查，大城市 中平均的射频背景水平约为5 0 w i n 2 ，约l 的居民曝露于超出1 0 i r t w m 2 的射频场 中。射频场渗透到组织的深度在移动通信频率下可达l c m ，它在躯体中产生的热 第1 节慨述 量可通过人体f 常的热调节带走。w h 0 指出，没有一项研究表明低于幽际导则 限值的曝露水平会产生有害的健康影响。 对射频范围的所有频段，w h o 明确指出，现有的科学证据表明，曝露于射 频场不可能引发或促进癌症。一些流行病学研究涉及射频曝露与癌症风险的关 联，但这些结果缺乏一致性，尚不足以对射频场曝露与癌症风险的关联性作出恰 当的评价。关于生活环境中低强度射频曝露的其他生物效应也在研究之中，一些 细胞实验中观察到的影响迄今并未得到确认，它们对人体健康的含义也还没有被 认清，更不能作为限制人体曝露限值的基础。 低频时变电场与人体的耦合作用将导致电荷流动从而产生电流，极性分子在 电场的作用下( 形成电偶极子) 有一定的取向性，并且会产生电偶极子的重定位。 这些效应的作用程度依赖于人体的电特性，包括电导率、介电常数。人体组织的 介电常数、电导率不仅在不同组织中各不相同，而且也与场频率有密切关系。同 时，电场还在人体表面产生感应电荷，从而在体内产生感应电流，其分布取决于 人体外形、暴露条件以及人体所处位置等诸多因素。当感应电流到达一定程度时 能刺激人体组织，如神经、肌肉细胞。 对于低频磁场的耦合，时变磁场同人体相互作用将产生感应电场和电流回 路。感应电场和电流密度的大小同回路半径、组织电导率、磁感应强度的变化率 呈比例关系。在磁场频率和幅值一定的情况下，磁感应强度变化率最大时产生的 电场最强。人体内各部分并非电的各向同性介质，其介电常数、电导率、磁导率 不是常数，感应电流大小和路径取决于组织的电导率。 f 表示造成永久性损伤限值 p 表示感知限值 锄 l 表示町承受限值 矿 毫 善 p “： ：才! i ：“。： i i 誊| 谚 i 蔫 = 口o 。5 誓蠢 r9 95 ，s 雹_ 。j j j ， + o一一。 一0 弼 ，lt - z j 。_ 、-，； ：? = ? 之? ：；? ： 74 一 i 二矽；z 矿； w 一：； z 。 缴 ； ；4 ：0 95 。 ： 2 ；卿笆 - 二蛩二簿+ ，毒。；：； 尹：；1兹孽； ! 1 ；汁曩 博； 篓。麓黧黝嬲卿黝g 删蠹篓 ：，! 。： 0 毫 。“与一“扣 r i ； 士搿 ；： ：i ：。 一幢 d o 0 0 0 f r a y 【嘲 图l 一1 感应电流的生物效应( 1 h z 一1 0 0 k h z ) 【9 】 f i gl 一1 t h e b i o l o g i c a le f f e c t so f i n d u c e dc u r r e n t ( ih z 一10 0 k h z ) 7 低频电磁场对人体的影向存在两种机王里，即引起两类生物效应：一是外界电 磁场在人体中感生的电流对神经细胞和组织细胞的刺激，即非热效应。所谓非热 效应，是指电磁场通过使生物体温度升高的热作用以外的方式改变生理牛化过程 的效应。二是人体器官组织由于i 吸收电磁场能量使其温度升高，并由此而引起的 生理和病理变化的作片j ，称之为热效应。 由直流到大约1 0 0 k h z ( 小于1 0 0 k h z ) 的电磁场对生物体的作用= l 三要以感应 或传导的方式进行的。在这一区域中，感应电流和电场可以直接刺激神经和肌肉 并引起神经和肌肉的痉挛和颤动，但并不发热。神经和肌肉的紧张状态主要是由 磁场引起，磁感应强度变化率和感应电流回路半径决定了体内感应电流密度，。 该频段电磁场之所以能够产生显著的生物效应，是有其客观的生理和物理基础 的，因为心电、脑电和肌电( 及衍j i 三的磁) 节律都落在此范围内，容易产生相干 的和胁同的频率效应。如图1 1 所示低频电磁场在人体内的感应电流密度所产生 的生物效应，各条线表示不同生物效应程度的限值。可见电流密度过高会引起电 击刺激并可能造成心脏、大脑的永久性损伤。 电磁波频率低时，主要借由有形的导电体才能传递。原因是在低频的电振荡 中，磁电之间的相互变化比较缓慢，其能量几乎全部返回原电路而没有能量辐射 出去；电磁波频率高时即可以在自由空问内传递，也可以束缚在有形的导电体内 传递。在自由空间内传递的原因是在高频率的电振荡中，磁电互变甚快，能量不 可能全部返回原振荡电路，于是电能、磁能随着电场与磁场的周期变化以电磁波 的形式向空间传播出去，不需要介质也能向外传递能量，这就是一种辐射。 电磁辐射危害人体的机理主要是热效应、非热效应和积累效应等【7 】。人体内 7 0 以上是水，水分子受到电磁波辐射后相互摩擦，引起机体升温，从而影响到 身体其他器官的正常工作，即谓热效应；人体的器官和组织都存在微弱的电磁场， 它们是稳定和有序的，一旦受到外界电磁波的干扰，处于平衡状态的微弱电磁场 即遭到破坏，人体正常循环机能会遭受破坏，即谓非热效应；热效应和非热效应 作用于人体后，对人体的伤害尚未来得及自我修复之前再次受到电磁波辐射的 话，其伤害程度就会发生累积，久之会成为永久性病态或危及生命。对于长期接 触电磁波辐射的群体，即使功率很小，频率很低，也会诱发想不到的病变，应引 起警惕! 各国科学家经过长期研究证明：长期接受电磁辐射会造成人体免疫力下 降、新陈代谢紊乱、记忆力减退、提前衰老、心率失常、视力下降、听力下降、 血压异常、皮肤产生斑痘、粗糙，甚至导致各类癌症等；男女生殖能力下降、妇 女易患月经紊乱、流产、畸胎等症。 第1 审慨述 1 4 高频电磁辐射的生物效应与机制 在0 3 0 0 g h z 范围内的时变电磁场与生命体的作用机制主要有三种形式：低 频电场的耦合、低频磁场的耦合、电磁场的能量吸收。 电磁! e 物效应与电磁频谱特性的关系最为密切，从电磁生物效应的角度可以 将电磁频谱分为4 个主要的区间： 1 ) 低频感应区( 0 - - 3 0 k h z 高压线、家电等) 2 ) 辐射区( 3 0 k 3 0 0 g h z 微波设备、无线基站、雷达电台、手机等) 3 ) 光学区( 3 0 0 g 3 0 0 t h z 紫外线、可见光、红外线等) 4 ) 电离区( 3 0 0 t 以上x 射线等) 电磁辐射的生物效应与电磁波的场强、频率、波长、波形、功率密度和作用 时i 可等因素有关。生物磁学研究电磁辐射怎样危害人体，即电磁场包括静态和时 变电、磁场与活体主要是指人体直接作用的基本耦合机制，有关研究资料表明， 人体与静态场或电场耦合主要是通过人体暴露部分表面产生可觉察的电荷，或通 过电磁感应使人体血管中产生感应电流和电动势，或通过磁力的相互作用导致人 体中磁分子、磁粒子和铁磁植入体受到力的作用，以及电子之间相互作用可能影 响人体中的化学反应与低频电场主要通过产生电流、束缚电荷极化以及人体组织 中已有电偶极子重排等途径而发生耦合与高频电磁场耦合主要是通过人体直接 从电磁场中吸收能量而导致明显发热，除了上述种基本直接耦合方式外，电磁场 与活体还有两种i 日j 接的耦合途径，一是当人体接触具有不同电势的物体时导致接 触电流或瞬时放电，一是电磁场与个体佩带的医疗器件如心脏起博器发生耦合。 通常，人体对低频电磁场的能量吸收比较小，并不能引起强烈的热效应。然 而，随着频率的增加( 大于1 0 0 k h z ) ，电磁波会被人体组织吸收使得全身或者局 部发热。这种暴露于高频电磁场使人体产生不均匀的能量沉积和能量吸收，造成 显著发热的情况，即有显著的热效应时，必须通过剂量学的测试和计算方法予以 评估。 电磁场频率的增加将引起电磁辐射被人体部分吸收，并随着深入人体组织而 强度逐渐减弱【l0 1 。所吸收的电磁波和人体组织作用使得全身或者局部发热，称 为电磁辐射的热效应，用比吸收率( s a r ) 来衡量，单位为w k g 。人体组织对 电磁辐射的吸收是个很复杂的过程，由生物组织介电常数、电导率、电磁场