降低环境中电磁辐射污染的电磁兼容策略

0 引言

　　随着经济建设和科学技术的蓬勃发展，电子电气设备的使用不断增加，应用也越来越广泛。但电子电气设备在使用过程中，不可避免地会产生电磁辐射。一些有害的电磁辐射不仅会影响设备本身的安全运行，而且会对人类生活的自然环境造成很大的危害，形成电磁污染。目前我国有两个针对生活和家居环境中因电磁辐射造成的电磁污染的国家标准：GB 8702-1988“电磁辐射防护规定”，由国家环境保护局发布[1]；以及GB 9175-1988“环境电磁波卫生标准”，由国家卫生部发布[2]。

　　早就有专家指出，环境中电磁能量每年以至少25%的速度递增。目前，因电磁辐射造成的污染（简称电磁污染）与大气污染、水污染、固体废弃物、噪声污染并称为人类社会的五大污染公害。尤其值得注意的是，电磁污染属于技术污染，它看不见，摸不着，必须经过专业人员，使用专业设备才能对其进行测量。由于电磁污染的复杂性和技术门槛较高，因此目前社会上对电磁污染存在较多的误区。一个最典型的例子就是：把只屏蔽电场或者只能屏蔽磁场的装置笼统地说成是能够屏蔽电磁场的装置。

　　本文从电磁场的分类和国家标准出发，对电磁污染进行深入分析，并提出解决环境中电磁辐射污染的若干电磁兼容[3]策略，为今后相应的国家标准制订以及电磁污染防护提供参考。

1 电磁场的分类和特性

　　通常所说的电磁场，包括电场和磁场两个大类。两者又分别分为静态场（静电场，恒定磁场），准静态场，以及两者的混合物，一般称作辐射场（即通常所说的电磁场）[4-5]。变化的电场产生变化的磁场，变化的磁场又产生变化的电场，两者在一起形成辐射场。电场一般使用电场强度E（V/m）来描述，磁场一般使用磁场强度H（A/m）或者磁感应强度B（T，即Wb/m2）来描述。Maxwell方程是描述宏观电磁现象的基础，它有微分和积分两种形式。

　　静态场是指场强不随时间发生变化的电场和磁场，经变换以后可以使用Poisson方程和Laplace方程得到场强大小的解。经计算后可以发现，在距源为r的地方，场强一般按照1/rn的关系衰减，指数n一般大于2。

　　由于电磁场的复杂性，辐射场的近场特性和远场特性是截然不同的。由于辐射场需要使用天线，因此对于近场和远场的分界点，一般的天线有临界距离的经验公式如下[5]：r=λ/2π，λ为辐射电磁波中最小的波长，且要求此时天线的最大口径尺寸D小于电磁波的半波长。对于高增益天线，临界距离的经验公式为：r=4D2/λ。近场区一般也称作Fresnel区，场强一般按照1/rn的关系衰减，n>2；远场区一般也称作Fraunhoffer区，场强一般按照1/r的关系衰减。在远场区，场强各分量处在辐射方向的横截面内，功率流沿径向朝外。在近场区，电场有显著的径向分量，其功率流不完全是径向的。

2 人体的电磁生物效应

　　电磁生物效应已经引起人们的广泛关注。最近几年，国际上已经有很多学术团体和机构就此问题展开深入研究[6]。电磁辐射能够使生物体的神经系统、免疫系统、内分泌系统、心血管系统和生殖系统等发生一些反应和变化[7]。以人体自身具有的天然屏障皮肤屏障为例，电磁场会对这道屏障产生侵害。皮肤组织呈现一定的电阻抗特性，这是由于细胞、内外液中电解质离子在电场中移动时，通过黏滞的介质和狭窄的管道时引起的。当高频电磁辐射侵入人体皮肤后，电磁能量会通过热效应分解掉一部分能量，这些能量被转化为体温的升高等生物效应。皮肤组织的温度在电磁场作用下一般能够升高0.1°C左右。一般低频电磁场和静态场、准静态场由于达不到电磁辐射热效应的阈值，因而只能引起非热效应，即电场或磁场的能量参与到生物的合成和化学反应等现象中。场的强度越大，这种参与程度就越高，最终会产生诸如神经衰弱症等症状。

　　除了热效应和非热效应之外，电磁辐射对人体组织有累积效应。高频辐射和磁场的这种效应特别明显。以磁场为例，它会引起生物体分子、细胞、组织、脏器或整体，在代谢、功能、结构上发生变化。不过这种变化需要在磁场作用一段时间之后发生，这种现象叫做“滞后”。这是由于生物体组织中存在许多的电偶极距或磁偶极距，当偶极距在外加场中发生转向运动时，必须克服一定的势垒，因而会导致变化时间的滞后。又如，较短时间的脉冲电场作用会促进人体表皮细胞增殖，而较长时间的脉冲电场作用会抑制细胞的增殖[8]。

　　从能量的观点来看，作用于人体的电磁能量越大(即电磁场强度与时间的乘积)，引起的生物效应越大，这就表现为累积效应。当累积效应达到一定程度，可引起人体某些敏感细胞的基因突变。这种基因突变会伴随着细胞的增殖而遗传给子代细胞，达到一定程度后会引起人体某些疾病。

3 若干电磁兼容策略

　　针对电磁场的特性和电磁辐射的生物学效应，必须采取措施降低环境中的电磁辐射强度，提高电子电气设备和生物体的安全性[3]。为此，我们可以从电磁兼容的角度对环境中的电磁污染进行治理或预防。

　　3.1 规范无线电使用频段

　　应严格执行我国无线电管理机构的频谱管理政策，规范频谱资源的使用。新建、改建或扩建的电台、电视台、雷达站，需要按相应的国家标准进行。同时，对生活社区的未来发展要有长远规划，避免在开始筹建时电磁辐射能达到国家安全限值，但三、五年后就成为电磁污染重灾区现象的发生。

　　3.2 使用电磁损耗型墙面材料

　　为了把环境中电磁辐射的能量密度降下来，可在大型建筑物上使用外墙材料具有电磁损耗特性的墙面材料，这种材料可以通过在普通的材料内增加炭粉或铁氧体粉末制成。

　　3.3 将输电线埋入地下

　　架空的输电线产生的辐射场能够在自由空间中传播，其影响面相当大。如果把输电线埋入地下，经过地面土层或混凝土层的传播损耗之后，其辐射的功率会大大降低，因此应该在电力行业大力推广地下掩埋式输电线。

　　3.4 消除强辐射源

　　由于电磁生物效应存在阈值效应，因此如果能降低环境中某些强辐射源的密度，将大大降低电磁辐射的危害。以室内建筑的楼宇布线为例，集中式布线将导致在局部空间电磁场的强度非常强。而采用分布式楼宇布线，可以使强源出现的概率大为降低，从而降低电磁辐射的危害。

　　3.5 推广使用电磁屏蔽织物

　　目前市场上有大量的防辐射布料及其制品出售，但多数产品的防辐射性能达不到广告宣传的效果。事实上，依靠单一的织物或者混纺织物，无法对环境中复杂的电磁场实现屏蔽，目前的屏蔽织物只能对在某个频段内的某一类场有较好的屏蔽效果。因此，开展新型电磁屏蔽材料的研究开发，具有非常重要的意义。

　　3.6 阻断电磁辐射通道

　　电磁污染对人体产生或设备造成危害需要具备三个要素：辐射源、辐射耦合通道、易感对象。针对辐射耦合通道，目前正在蓬勃发展的电磁兼容技术中有很多较为有效的方法可对其进行阻断，经典的技术有屏蔽、搭接、系统接地、隔离等。以磁场的屏蔽为例，可使用相应频段内的高磁导率材料，将磁场聚集于该屏蔽体中[7]。对低频磁场的屏蔽可使用铁磁性材料（如铁、硅钢片等）将磁源或者敏感器件包裹起来。屏蔽的作用是为磁场提供一条低磁阻的通路，使敏感器件周围的磁力线集中在屏蔽材料中，从而起到屏蔽的作用。对于辐射场（有时也称交变电磁场），需要综合考虑屏蔽过程，同时使用阻断电场和磁场耦合通道的方式进行处理。

4 结束语

　　今天，电磁辐射所造成的环境污染日益严重。电磁兼容作为一门专门研究电子电气设备和生物体电磁干扰和电磁敏感度的综合性学科，在以信息技术为特征的21世纪的电磁环境污染治理过程中，将发挥出越来越重要的作用。根据电磁场的分类和特性，以及对人体的电磁生物效应分析可以发现，使用电磁兼容的思维及其相关技术，可以有效地降低或阻隔电磁辐射造成的环境污染。在今后日益发展的信息安全和生命科学中，电磁兼容策略将会使电磁频谱资源的利用变得更加科学，更加安全。

　　参考文献

　　[1] GB 8702-1988, 电磁辐射防护规定.

　　[2] GB 9175-1988, 环境电磁波卫生标准.

　　[3] GJB 72A-2002，电磁干扰和电磁兼容性术语.

　　[4]周佩白等. 电磁兼容问题的计算机模拟与仿真技术. 北京：中国电力出版社，2006.

　　[5] David A Weston. 杨自佑，王守三译. 电磁兼容原理与应用. 北京：机械工业出版社，2007.

　　[6] http://www.apmc2007.org/.

　　[7] 郭银景等. 电磁兼容原理与应用教程. 北京：清华大学出版社，2004.

　　[8] 陈树德, 张红锋. 低频电磁场对细胞生物效应的研究. 中华物理医学杂志, 1998, 20(2): 78-80.