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第七章物理性污染监测 主要内容 1 2 3 噪声污染监测 振动及测量方法 环境中放射性污染监测 一 声音的定义声音的本质是波动 受作用的空气发生振动 当振动频率在20 20000Hz时 作用于人的耳鼓膜而产生的感觉称为声音 二 噪声及其主要危害人们生活和工作所不需要的声音叫噪声 噪声会损伤听力 干扰人们的睡眠和工作 诱发疾病 干扰语言交流 强噪声还会影响设备正常运转和损环建筑结构 声音和噪声 1 交通噪声2 工厂噪声3 建筑施工噪声4 社会生活噪声 三 环境噪声的来源 一 声音的发生 频率 波长和声速1 声音的发生当物体在空气中振动 使周围空气发生疏 密交替变化并向外传递 且这种振动频率在20 20000Hz之间 人耳可以感觉 称为可听声 简称声音 2 频率声源在一秒钟内振动的次数叫频率 记作f 单位为Hz 声音的物理特性和量度 3 波长沿声波传播方向 振动一个周期所传播的距离 或在波形上相位相同的相邻两点间的距离称为波长 用 表示 单位为m 4 声速一秒时间内声波传播的距离叫声波速度 简称声速 记作c 单位为m s 频率 波长和声速三者的关系 二 声功率 声强和声压 1 声功率 W 声功率是指单位时间内 声波通过垂直于传播方向某指定面积的声能量 在噪声监测中 声功率是指声源总声功率 单位为W 2 声强 I 声强是指单位时间内 声波通过垂直于声波传播方向单位面积的声能量 单位为W s2 3 声压 p 声压是由于声波的存在而引起的压力增值 声波是空气分子有指向 有节律的运动 声压单位为Pa 三 分贝 声功率级 声强级和声压级 1 分贝分贝是指两个相同的物理量 如A1和A0 之比取以10为底的对数并乘以10 或20 分贝符号为 dB 它是无量纲的 是噪声测量中很重要的参量 上式中A0是基准量 或参考量 A1是被量度量 被量度量和基准量之比取对数 该对数值称为被量度量的 级 亦即用对数标度时 所得到的是比值 它代表被量度量比基准量高出多少 级 声功率级常用LW表示 定义为 式中 LW 声功率级 dB W 声功率 W W0 基准声功率 为10 12W 2 声功率级 声强级常用LI表示 定义为 式中 LI 声强级 dB I 声强 W m2 I0 基准声强 在空气中取10 12W m2 3 声强级 4 声压级 声压级常用Lp表示 定义为 式中 Lp 声压级 dB p 声压 Pa p0 基准声压 在空气中规定p0为2 10 5Pa 该值是正常青年人耳朵刚能听到的1000Hz纯音的声压值 四 噪声的叠加和相减 1 噪声的叠加声能量是可以代数相加的 设两个声源的声功率分别为W1和W2 那么总声功率W总 W1 W2 而两个声源在某点的声强为I1和I2时 叠加后的总声强I总 I1 I2 声压不能直接相加 例两声源作用于某一点得声压级分别为Lp1 96dB Lp2 93dB 由于Lp1 Lp2 3dB 查曲线得 Lp 1 8dB 因此Lp总 96dB 1 8dB 97 8dB 图7 1两噪声源的叠加曲线 掌握了两个声源的叠加 就可以推广到多声源的叠加 只需逐次两两叠加即可 而与叠加次序无关 例如 有8个声源作用于一点 声压级分别为70 75 82 90 93 95 100dB 它们合成的总声压级可以任意次序查图7 1的曲线两两叠加而得 任选两种叠加次序如下 2 噪声的相减 例 为测定某车间中一台机器的噪声大小 从声级计上测得声级为104dB 当机器停止工作 测得背景噪声为100dB 求该机器噪声的实际大小 图7 2背景噪声修正曲线 一 响度和响度级1 响度响度是人耳判别声音由轻到响的强度等级概念 响度的单位叫 宋 1宋的定义为声压级为40dB 频率为1000Hz 且来自听者正前方的平面波形的强度 如果另一个声音听起来比这个大n倍 则声音的响度为n宋 噪声的物理量和主观听觉的关系 2 响度级 定义1000Hz纯音声压级的分贝值为响度级的数值 任何其他频率的声音 当调节1000Hz纯音的强度使之与这声音一样响时 则这1000Hz纯音的声压级分贝值就定为这一声音的响度级值 响度级的单位叫 方 图7 3等响曲线 又称ISO等响曲线 3 响度与响度级的关系根据大量实验得到 响度级每改变10方 响度加倍或减半 或 响度级的合成不能直接相加 而响度可以相加 二 计权声级 A计权声级是模拟人耳对55dB以下低强度噪声的频率特性 B计权声级是模拟55 85dB的中等强度噪声的频率特性 C计权声级是模拟高强度噪声的频率特性 D计权声级是对噪声参量的模拟 专用于飞机噪声的测量 图7 4A B C D计权特性曲线 三 等效连续声级 噪声污染级和昼夜等效声级 1 等效连续声级一个用噪声能量按时间平均方法来评价噪声对人影响的问题 即等效连续声级 符号 Leq 或 LAeq T 式中 LpA 某时刻t的瞬时A声级 dB T 规定的测量时间 s 如果数据符合正态分布 其累积分布在正态概率纸上为一直线 则可用下面近似公式计算 L10 L50 L90为累积百分声级 其定义是 L10 测定时间内 10 的时间超过的噪声级 相当于噪声的平均峰值 L50 测量时间内 50 的时间超过的噪声级 相当于噪声的平均值 L90 测量时间内 90 的时间超过的噪声级 相当于噪声的背景值 2 噪声污染级 噪声污染级 LNP 式中 K 常数 对交通和飞机噪声取值2 56 测定过程中瞬时声级的标准偏差 式中 LpAi 测得第i个瞬时A声级 所测声级的算术平均值 n 测得总数 3 昼夜等效声级 考虑到夜间噪声具有更大的烦扰程度 故提出一个新的评价指标 昼夜等效声级 也称日夜平均声级 符号 Ldn 它反映社会噪声昼夜间的变化情况 表达式为 式中 Ld 白天的等效声级 时间是从6 00至22 00 共16个小时 Ln 夜间的等效声级 时间是从22 00至第二天的6 00 共8个小时 四 噪声的频谱分析 将噪声的强度 声压级 按频率顺序展开 使噪声的强度成为频率的函数 并考查其波形 称为噪声的频率分析 或频谱分析 频谱分析的方法是使噪声信号通过一定带宽的滤波器 通带越窄 频率展开越详细 反之通带越宽 展开越粗略 以频率为横坐标 相应的强度 如声压级 为纵坐标作图 经过滤波后各通带对应的声压级的包络线 即轮廓 叫噪声谱 图7 5为一次实测的噪声频谱图 图7 5频谱图 表7 1常用1倍频程滤波器的中心频率和截止频率 一 声级计1 声级计的工作原理 声级计 又叫噪声计 是一种按照一定的频率计权和时间计权测量声音的声压级和声级的仪器 是声学测量中最常用的基本仪器 是一种主观性的电子仪器 图7 6声级计工作方框图 噪声测量仪器 2 声级计的分类 按精度将声级计分为1级和2级 两种级别的声级计的各种性能指标具有同样的中心值 仅仅是容许误差不同 而且随着级别数字的增大 容许误差放宽 按体积大小可分为台式声级计 便携式声级计和袖珍式声级计 按指示方式可分为模拟指示 电表 声级灯 和数字指示声级计 AWA5633D型声级计 AWA6270A噪声频谱分析仪 AWA6270噪声频谱分析仪 AWA6218C噪声统计分析仪 图7 7各种声级计实物照片 二 其他噪声测量仪器 干扰睡眠和休息的噪声级阈值白天为50dB 夜间为45dB 我国提出环境噪声允许范围见表7 2 表7 2我国环境噪声允许范围单位 dB 噪声标准 环境噪声标准制定的依据是环境基本噪声 各国大多参考ISO推荐的基数 如睡眠为30dB 根据不同时间 不同地区和室内噪声受室外噪声影响的修正值以及本国具体情况来制定 表7 3一天不同时间对基数的修正单位 dB 表7 4不同地区对基数的修正值单位 dB 表7 5室内噪声受室外噪声影响的修正值单位 dB 适用于疗养区 高级别墅区 高级宾馆区等特别需要安静的区域 位于城郊和乡村的这一类区域分别按严于0类标准5dB执行 表7 6城市区域环境噪声标准值单位 等效声级Leq dB A 适用于以居住 文教机关为主的区域 乡村居住环境可参照执行该类标准 表7 6城市区域环境噪声标准值单位 等效声级Leq dB A 适用于居住 商业 工业混杂区 适用于城市中的道路交通干线道路的两侧区域 穿越城区的内河航道两侧区域 穿越城区的铁路主 次干线两侧区域的背景噪声 指不通过列车时的噪声水平 限值也执行该类标准 表7 6城市区域环境噪声标准值单位 等效声级Leq dB A 适用于工业区 表7 8现有企业暂行标准 表7 7新建 扩建 改建企业标准 表7 11摩托车和轻便摩托车噪声限值 GB116169 1996 单位 dB A 表7 12机场周围飞机噪声标准单位 dB 一类区域 指特殊住宅区 居住 文教区 二类区域 指除一类区域以外的生活区 表7 15海洋船舶各舱室噪声级最大限制值 注 机舱内任一测点的噪声级不得大于110dB 客舱参照执行 在测定城市噪声污染分布情况后 可在城市地图上用不同颜色或阴影线表示噪声带 每一噪声带代表一个噪声等级 每级相差5dB 各等级的颜色和阴影线规定见表7 16 表7 16各噪声带颜色和阴影线表示规定 一 城市环境噪声监测方法 城市环境噪声监测 城市区域环境噪声监测 城市交通噪声监测 城市环境噪声长期监测 城市环境中扰民噪声源的调查测试 噪声监测 一 城市区域环境噪声监测 图7 8网格测量法示意图 图7 9定点测量法示意图 网格测量 定点测量 二 城市交通噪声监测 二 工业企业噪声监测方法 测量工业企业噪声时 传声器的位置应在操作人员的耳朵位置 但人需离开 测点选择的原则 若车间内各处A声级波动小于3dB 则只需在车间内选择1 3个测点 若车间内各处声级波动大于3dB 则应按声级大小 将车间分成若干区域 这些区域必须包括所有工人为观察或管理生产过程而经常工作 活动的地点和范围 表7 17工业企业噪声测量记录表 厂 车间 厂址 年 月 日 表7 18等效连续声级记录表 三 机动车辆噪声测量方法 车外噪声测量 测量条件 测量场地及测点位置 加速行驶车外噪声测量方法 匀速行驶的车外噪声测量方法 图7 10车外噪声测量场地示意图 图7 11摩托车测量场地示意图 车内噪声测量 车内噪声测量条件 车内噪声测点位置 测量方法 表7 19车外噪声测量记录表 图7 12驾驶室内噪声测量示意图 表7 20车内噪声测量记录表 表7 21车内噪声频谱车速 km h 表7 22摩托车排气管后方噪声测量记录表 四 机场周围飞机噪声测量方法 测量条件 气候条件为无雨 无雪 地面上10m高处的风速不大于5m s 相对湿度不应超过90 不应小于30 传声器位置 测量传声器应安装在开阔平坦的地方 高于地面1 2m 离其他反射壁面1m以上 注意避开高压电线和大型变压器 所有测量都应使传声器膜片基本位于飞机标称飞行航线和测点所确定的平面内 即是掠入射 在机场的近处应当使用声压型传声器 其频率响应的平直部分要达到10kHz 要求测量的飞机噪声级最大值至少超过环境背景噪声级20dB 测量结果才被认为可靠 测量仪器 精度不低于2型的声级计或机场噪声监测系统及其他适当仪器 声级计的性能要符合GB3785的规定 表7 23机场周围飞机噪声测量记录表 注 风速指10m高处风速 振动及测量方法 振动 物体围绕平衡位置往复运动 振动噪声机械设备产生的噪声有两种传播方式 A 以空气为介质向外传播 称为空气声 B 是声源直接激发固体构件振动 这种振动以弹性波的形式在建筑物基础 地板 墙壁中传播 并在传播过程中向外辐射噪声 称为固体声 振动及测量方法 一 城市区域环境振动标准 一 适用地带范围的划定特殊住宅区 居民 文教区 混合区 商业中心区 指商业集中的繁华地区 工业集中区 交通干线道路两侧 铁路干线两侧 标准适用的地带范围 标准昼夜 二 监测方法测量点的布设 计算方法 城市区域环境振动标准 GBl0070一88 规定了城市区域环境振动的标准值及适用地带范围 见表7 24 表7 24城市各类区域铅垂向Z振级标准值单位 dB 二 城市区域环境振动测量方法 一 名词术语振动加速度级VAL 振动级VL Z振动级VLz 累积百分Z振级VLzn 稳态振动 冲击振动 无规振动 二 测量仪器用于测量环境振动的仪器 其性能必须符合ISO DP8401 1984有关条款的规定 测量系统每年至少送计量部门校准一次 三 测量量及读值方法测量量 读数方法和评价量 四 测量位置及检振器的安装 五 测量条件测量时振源应处于正常工作状态 应避免足以影响环境振动测量值的其他环境因素或其他非振动污染源引起的干扰 六 测量数据记录和处理环境振动测量按待测振源的类别 选择教材表7 24 表7 25 表7 26中的对应表格逐项记录 测量交通振动 应记录车流量 环境中放射性污染监测 一 基础知识二 环境中的放射性三 放射性辐射防护标准四 放射性测量实验室和检测仪器五 放射性监测 一 放射性 一 放射性核衰变1 核蜕变不稳定的原子核能自发地有规律地改变其结构 从原子核内部放出电磁波 或带有一定能量的粒子 降低其能级水平 转化为结构稳定的核 这种现象叫核蜕变或 放射性核蜕变 2 放射性在衰变过程中 不稳定的原子核能自发地放出 射线 使本身物理和化学性质发生变化的现象 称为 放射性 基础知识 226Ra和60Co的核衰变 1 衰变 衰变是不稳定重核 一般原子序数大于82 自发放出4He核 粒子 的过程 2 衰变 衰变是放射性核素放射 粒子 即快速电子 的过程 它是原子核内质子和中子发生互变的结果 衰变可分为负 衰变 正 衰变和电子俘获三种类型 3 衰变 射线是原子核从较高能级跃迁到较低能级或者基态时所放射的电磁辐射 二 放射性衰变的类型 1 放射性活度 强度 放射性活度系指单位时间内发生核衰变的数目 2 半衰期当放射性的核素因衰变而减少到原来的一半时所需的时间称为半衰 T1 2 三 放射性活度和半衰期 四 核反应核反应 是指用快速粒子打击靶核而给出新核 核产物 和另一粒子的过程 二 照射量和剂量 一 照射量 式中 dQ 或X射线在空气中完全被阻止时 引起质量为dm的某一体积元的空气电离所产生的带电粒子 正的或负的 的总电量值 C X 照射量 它的SI单位为C kg 与它暂时并用的专用单位是伦琴 R 简称伦 二 吸收剂量表示在电离辐射与物质发生相互作用时单位质量的物质吸收电离辐射能量大小的物理量 其定义用下式表示 式中 D 吸收剂量 SI单位为J kg 单位的专门名称为戈瑞 简称戈 用符号Gy表示 电离辐射给予质量为dm的物质的平均能量 三 剂量当量剂量当量 H 定义 在生物机体组织内所考虑的一个体积单元上吸收剂量 品质因数和所有修正因素的乘积 即H DQN式中 D 吸收剂量 Gy Q 品质因素 其值决定于导致电离粒子的初始动能 种类及照射类型等 见表8 1 N 所有其他修正因素的乘积 品质因数与照射类型 射线种类的关系 第二节环境中的放射性 一 环境中放射性的来源 声音和噪声 一 天然放射性核素1 宇宙射线及其引生的放射性核素2 天然系列放射性核素3 自然界中单独存在的核素 二 人为放射性核素1 核试验及航天事故2 核工业3 工农业 医学 科研等部门的排放废物4 放射性矿的开采和利用 二 放射性核素在环境中的分布 一 在土壤和岩石中的分布 表8 1土壤 岩石中天然放射性核素的含量单位 Bq g 二 在水体中的分布 表8 2各类淡水中226Ra及其子代产物的含量单位 Bq L 三 在大气中的分布大多数放射性核素均可出现在大气中 但主要是氡的同位素 特别是222Rn 它是镭的衰变产物 能从含镭的岩石 土壤 水体和建筑材料中逸散到大气 其衰变产物是金属元素 极易附着于气溶胶颗粒上 四 在动植物组织中的分布任何动植物组织中都含有一些天然放射性核素 主要有40K 226Ra 14C 210Pb和210Po等 其含量与这些核素参与环境和生物体之间发生的物质交换过程有关 如植物与土壤 水 肥料中的核素含量有关 动物与饲料 饮水中的核素含量有关 三 放射性污染的危害通常 每人每年从环境中受到的放射性辐射总剂量不超过2毫希沃特 其中 天然放射性本底辐射占50 以上 其余是人为放射性污染引起的辐射 放射性元素铀 238U 235U 234U 钍 232Th 镭 226Ra 氡 222Rn 和钾 40K 对人体的辐射伤害特征见表8 4所示 放射性物质辐射人体的途径 一 我国 辐射防护规定 GB8703 88 中的部分规定 一 职业性放射性工作人员和居民每年限制剂量当量 二 露天水源中限制浓度和放射性工作场所空气中最大容许浓度 放射性辐射防护标准 表8 3工作人员 居民年最大容许剂量当量 注 表内所列数值均指内 外照射的总剂量当量 不包括天然本底照射和医疗照射 16岁以下人员甲状腺的限制剂量当量为1 5 10 2Sv a 表8 4放射性同位素在露天水源中的限制浓度和放射性工作场所空气中的最大容许浓度 放射性同位素在放射性工作场所以外地区空气中的限制浓度 按表8 6放射性工作场所空气中的最大容许浓度乘以表8 7所列比值控制计算 比值控制 二 其他国家和机构发布的有关环境放射性标准 国际放射委员会建议的个人剂量限值 一 放射性测量实验室 一 放射化学实验室 二 放射性计测实验室二 放射性检测仪器 一 电离型检测器 二 闪烁检测器 三 半导体检测器 放射性测量实验室和检测仪器 各种常用放射性检测器 闪烁检测器 盖革计数器 1 电流电离室 电离室示意图 一 电离型检测器 2 正比计数管 粒子的电离作用与外加电压的关系曲线 盖革计数管示意图 3 盖革 GM 计数管 二 闪烁检测器 闪烁检测器测量装置示意图1 闪烁体 2 光电倍增管 3 前置放大器 5 脉冲幅度分析器 6 定标器 7 高压电源 8 光导材料 9 暗盒 10 反光材料 闪烁检测器是利用射线与物质作用发生闪光的仪器 图8 7是这种检测器测量装置的工作原理 闪烁体的材料可用ZnS NaI 蒽 芪等无机和有机物质 其性能列于表8 10中 主要闪烁材料性