物理性污染控制课件讲义.doc
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1、物理性污染控制讲义江汉大学主讲：xxx第1章 绪论1.1 物理环境与环境物理学各种物质都在以不同的运动形式进行能量的交换和转化，物质能量的交换和转化的过程，就构成了物理环境。自然声环境、震动环境、电磁环境、放射性辐射环境、热环境、光环境构成了天然物理环境。人工物理环境是人类活动的物理因素不同程度地干预天然物理环境所生成的次生物理环境，两者交叠共存，相互作用。人类生存于这种物理环境里，也影响着这种物理环境。比如由于人类进行大规模的工业生产并向大气释放大量温室气体，造成温室效应，使地球变暖，就是一个例子。环境物理学是在物理学的基础上发展起来的一门新兴学科，是环境科学的重要组成部分。 环境物理学主要
2、研究范围是大自然中的物理变化引起人类生存环境的改变，污染物迁移及分布的规律，以及研究环境问题时所采用的物理原理与方法。其中最主要的是应用物理手段研究和解决在环境中存在的污染问题，物理污染的产生机理、发展变化、对人类的影响以及预防和治理对策等等，目的是为人类创造一个适宜的物理环境。物理性污染同化学性污染和生物性污染是不同的。化学性污染和生物性污染是环境中有了有害的物质和生物，或者是环境中的某些物质超过正常含量，而天然物理性的声、光、热、电磁场等在环境中是永远存在的，它们本身对人无害，只是由于人为造成的环境中含量过高或过低而造成污染或异常现象才对人体及生态造成危害。物理性污染是一般是局部性的，同时
3、在环境中不会有残余物质存在。物理环境和物理性污染的特征决定了环境物理学的研究特点。物理环境的声、光、热、电等要素对人类是必需的，因此决定了环境物理学不仅研究如何消除污染，更重要的是研究适宜于人类生活和工作的声、光、热、电等物理条件；物理性污染程度是由声、光、热、电等在环境中的量决定的，环境物理学的研究，要注重物理现象的定量研究。 环境物理学的研究领域是相当广阔的。人体作机械运动或者人体处在机械振动环境中所产生的物理效应和生理效应，也是环境物理学有待深入研究的内容。环境物理学将在对物理环境和物理性污染全面、深入研究的基础上，发展自身的理论和技术，形成一个完整的学科体系。1.2 环境物理学的发展二
4、十世纪初人们开始研究声、光、热等物理现象对人类生活和工作的影响，并逐渐形成了在建筑物内部为人类创造适宜的物理环境的学科，即建筑物理学。二十世纪五十年代后，建筑物外部的物理环境对人类生存的影响越来越大，促使声学、热学、光学、电磁学、力学、放射学等学科开展对环境，以及消除这些影响的技术途径与控制措施的研究，从而出现了一些新的学科分支，如环境声学、环境光学、环境电磁学、环境热学、电离辐射防护，其中较为成熟的是环境声学、电离辐射防护，其它学科还没有完全定型。人们发现噪声污染的时间较早。约在一、二百年前，锻造工人、织布机挡车工、造船和锅炉制造的铆焊工，由于长期在噪声环境中工作已受到职业性噪声的危害。17
5、65年就有人提出了铜匠、锻造工的噪声性耳聋的报告，环境噪声则是随着近代城市人口的增长及交通工具的发展而形成的。1930年美国纽约市开始进行了大规模的城市噪声调查，六十年代许多国家的城市噪声问题越来越突出，已成为城市“四大公害”之一。1971年美国成立了噪声控制工程学会，1974年在第八届国际声学会议上正式采用“环境噪声”这一术语，而且作为这次会议议程的重点。近年，科学研究工作者把城市噪声污染规律和环境噪声评价方法的研究与以往噪声控制、心理声学和生理声学的研究有机地联系在一起，形成了一门“环境声学”。研究噪声污染规律，噪声的产生、传播和控制及其对人体健康影响的机理的科学，已成为声学的一门分支学科
6、。电离辐射是指宇宙中的某些射线在其行进路程中将能量传递给介质元素的原子的电子壳而产生电离，被电离的离子又通过电离作用破坏分子结构而产生的辐射。人类生存的地球，经常遭受天然的电离辐射。天然的电离辐射通常来于三方面：一是宇宙线，二是地壳中天然放射性元素，三是存在于表层土壤、水相大气中的天然性元素，并可随着食物或水进入人体。十九世纪快要结束时，科学家发现了X射线和放射性。不久医疗上出现了X射线照相技术及在其它方面的应用，从此人们接触到辐射并遭受辐射损伤的机会大大增多。1911年就有关于x射线操作者患白血病的报告，以后又在美国发现放射科医生的白血病发生率比非放射科医生高。大约在统一时期，又发现从事钟表
7、发光标度盘涂漆工人也因长期接触放射物质而受害，最初是再生性障碍性贫血症，后来出现骨癌，从而人们进一步注意到人体内沉积的放射物质的危害性，这些部促使人们不得不加强辐射防护措施的研究。1928年国际放射学会议发起成立了国际X射线和镭防护委员会，l 950年又改名为国际放射防护委员会。它主要是研究和推荐辐射防护标准和防护方法。1955年第十届联合国大会通过决议成立了原子辐射影响问题科学委员会，放射防护研究逐渐成为一门独立的学科，即放射卫生学，主要研究有关放射的卫生标淮、放射性物质的生产和使用单位的卫生防护、消除放射性沾污以及防治放射性物质对生产场所和周围环境的影响。六十年代以后，由于核电站的大量建设
8、和原子能的广泛应用，环境中的电离辐射污染越来越引起人们的重视，并成为防治环境污染的一项重要内容，同时也促进了放射防护技术的研究。1831 年, 英国物理学家法拉第发现了电磁感应现象。到了19 世纪80 年代, 人们利用电磁感应原理,建立起世界上第一座发电站。从此,人类便大步迈进了电磁辐射的应用时代。现在我们已经知道,电磁作用力是自然界四种基本相互作用力之一。地球上生命的起源与繁殖, 完全依赖于太阳辐射的能量。我们不仅依靠阳光中的红外线获得温暖, 而且还以可见光提供照明, 方便生活, 体味五彩斑斓的世界。从科学角度来讲,没有阳光,就没有人类所需要的各种食物,人类就难以生存。当前,电视、电话、手机
9、、电脑、因特网及绿色能源等科技成果, 已深入到我们工作和生活的方方面面。神奇的电磁波更让我们走进了信息高速公路的时代, 人们足不出户,瞬间即可分享全球人类的精神文明, 使地球村成为现实。总之, 电磁辐射给人带来了诸多的方便。但是, 如果使用不当, 电磁辐射就会成为电磁污染, 从而威胁人类的身体健康。据专家介绍，电磁辐射到底对人体健康有没有影响的争论早在20年前就开始了。有的科学家认为，电磁辐射对人体确实有害。一份由11位美国电磁场学家历时9年完成的关于电磁场对人体健康影响的报告指出，数以百万计的人由于长期暴露在来自电缆和家庭电器的电磁辐射中，所面对患癌症和退化性疾病的危险正在增加。据报道，美国
10、一科学家小组1999年一项最新研究对比实验表明，每天接受2小时电磁辐射的小白鼠，大脑思维出现混乱，不能准确辩别方向，而对照组的小白鼠全部顺利游到对岸。但有的科学家则不以为然，他们指出，在同等条件下，为何只有个别人出现症状呢?科学界又提出热效应和非热效应之说。所谓热效应，就是高频电磁波直接对生物肌体细胞产生“加热”作用。由于它是穿透生物表层直接对内部组织“加热”，而生物体内部组织散热又困难，所以往往肌体表面看不出什么，可是其内部组织已严重“烧伤”。微波炉就是根据此原理加热食物的。专家指出，不同的人或者同一个人的不同器官对热效应的承受能力是不一样的。老人、儿童、孕妇属于敏感人群，而心脏、眼睛和生殖
11、系统等属于敏感器官之列。至于非热效应，专家的解释是，电磁辐射作用于人体的辐射系统，影响新陈代谢及大脑电流，使人的行为发生变化及相关器官发生变化，并进而影响人的循环系统、免疫及生殖和代谢功能，严重的会诱发癌症。至今，科学家对电磁辐射于人体健康影响的研究仍在进一步探索之中。目前，电磁辐射对人体有危害已是被众专家所公认。但凡事都有个度，只要控制在这个度的范围内，事态便会良好。电磁辐射防护标准在经历了较长时间的探讨后，至今没有全世界统一的标准。我国在考察了东西方各国的防护标准后，制定给出最敏感段标准对公众为40微瓦/平方厘米，比西方和国际上的标准还严格4倍。1.3 环境物理学的分支学科环境声学 是环境
12、物理学的一个分支学科，研究声环境及其同人类活动的相互作用。人类生活的环境里有各种声波，用来传递信息和进行社会活动的，是人们需要的；而影响人的工作和休息，甚至危害人体的健康的，则是噪声。为了改善人类的声环境，保证语言清晰可懂，音乐优美动听,20世纪初,人们开始对建筑物内的音质问题进行研究，促进了建筑声学的形成和发展。50年代以来，人类生活环境的噪声污染日益严重，人们开始了在建筑物内和在建筑物外的一定的空间范围内控制噪声的研究。研究涉及物理学、生理学、心理学、生物学、医学、建筑学、音乐、通信、法学、管理科学等许多学科，经过长期的研究，成果逐渐汇聚，形成了一门综合性的科学环境声学。在1974年召开的
13、第八届国际声学会议上，环境声学这一术语被正式使用。环境声学主要是研究声音的产生、传播和接收，及其对人体产生的生理、心理效应；研究改善和控制声环境质量的技术和管理措施。主要内容有： 噪声控制：声是一种波动现象，它在传播过程中，会产生反射，衍射，折射和透射现象，会随传播距离增加而衰减。声的波动基本物理性质，是改善和控制声环境的理论基础。因此在噪声控制中，根据物理原理，首先是降低噪声源的辐射。其次是控制噪声的传播,改变声源已经发出的噪声的传播途径。再次是采取防护措施。音质设计：剧场、电影院、音乐厅、会议厅等建筑物中的音质问题很重要。音质控制是要加强声音传播途径中有效的声反射，使声能量在建筑物内均匀分
14、布和扩散，以保证直达声有适当的响度；还要消除建筑物内的不利的声反射、声能集中等现象，控制混响时间，降低内部和外部的噪声干扰。噪声的影响：噪声对人的影响同噪声的声级、频率、连续性、发出的时间的物理性质有关，而且同收听者的听觉特性、心理、生理状态等因素亦有关，是一复杂的问题。 研究噪声标准：噪声标准要能保护多数人不受过度噪声的干扰或伤害，是防止和消除噪声污染的重要手段，噪声控制的技术措施必须满足它的要求。近年来，噪声控制研究受到普遍重视，对声源的发声机理、发声部位和特性，以及振动体和声场的分析和计算，都有重大发展。在机械振动、声场分布以及二者间耦合的理论方面，经典的格林函数已普遍用于振动系统的理论
15、分析。声学工作者把量子力学的处理方法用到声场分析，形成了简正振动方式（或称简正波）理论。在频率较高时，用统计方法分析振动中的能量关系, 发展了统计能量分析(SEA)。利用瑞利提出最大动能等于最大位能，算出振动基频的物理方法，创造出有限元方法及边界元方法。能量流技术在计算和降低机器噪声方面也得到应用。 在测量手段方面，利用物理原理发展的是声音强度测量。可以直接求得声源发出的总声功率及其各部分的发声情况。在气流噪声的研究中弄清了噪声与压力、喷口等的关系。在撞击噪声的研究中，求得加速噪声、自振噪声等的特性及其在总噪声中的地位。 发展了各种新型吸声、隔声材料和结构。例如各种无纤维吸声材料或结构，逐渐有
16、较多的应用。马大猷院土在60年代后期提出微穿孔板吸声体，已得到国内外广泛应用。最近又研究微缝吸声体理论。德国夫琅霍费建筑研究所还发展了一种聚碳酸能薄膜穿孔吸声结构。 在隔声材料方面，最近出现了一种称之为“声学晶体”的新型组合材料，它由局部共振结构单元组成。改变结构单元的大小和几何形状，可以调谐频率范围使在此范围内有效弹性常数是负的，从而成为反射器的材料，显示出比相关波长小两个数量级的点阵常数的谱隙，打破了传统的“质量定律”的声传输规律。 环境振动学环境振动学研究有关振动的产生、测试、评价、控制措施；研究振动环境对人的影响，现代交通运输业和宇航声学的发展，使环境振动学得以迅速地发展。振动本身可形
17、成噪声源，因此，环境振动学与环境声学是密切相关的科学。振动属于瞬时性能量污染。环境电磁学 环境物理学中新形成的一个分支学科，主要研究各种电磁污染的来源及其对人类生活环境的影响。电磁污染是指天然的和人为的各种电磁波干扰和有害的电磁辐射。 电磁辐射是指能量以电磁波的形式通过空间传播的物理现象，分为广义的电磁辐射和狭义的电磁辐射。广义的电磁辐射又分为电离辐射和非电离辐射两种，凡能引起物质电离的电磁辐射称为电离辐射，包括X射线、射线、粒子、粒子、中子、质子等。不足以导致组织电离的电磁辐射称为非电离辐射，包括极低频（ELF，3Hz3KHz），甚低频（VLF，330KHz）、射频（100KHz300GHz
18、）、红外线、可见光、紫外线及激光等。一般所说的电磁辐射是指非电离辐射。1969年国际电磁兼容讨论会上， 建议把电磁辐射列为必须控制的环境污染危害物，联合国人类环境会议采纳了上述建议，并将此编入广泛国际意义污染物的控制与鉴定一文。1972年，国际大电网会议召开，科学家首次将工频电磁辐射的污染问题作为学术问题进行讨论。70年代后期，西德科学家通过对电磁污染的深入研究，发展了环境电磁学。1979年我国颁布的中华人民共和国环境保护法也将电磁辐射列入有害的环境污染物之一。 电磁污染源影响人类生活环境的电磁污染源可分天然的和人为的两大类。天然的电磁污染是某些自然现象引起的。最常见的是雷电，火山喷发、地震和
19、太阳黑子活动。人为的电磁污染主要有：脉冲放电。工频交变电磁场。射频电磁辐射。目前，射频电磁辐射已经成为电磁污染环境的主要因素。 电磁辐射对环境的影响包括两个方面，一方面是对仪器设备工作环境的影响，另一方面是对人体健康的影响。在一定强度的电磁波干扰下，会造成导弹系统控制失灵，飞机与卫星指示信号失误。我国深圳，广州白云机场在90年代都有受无线电台的干扰而被迫关闭的事件发生。 电磁辐射对人体健康的影响主要体现在对各器官组织的功能效应影响，目前科学家研究地比较多的主要有：（1）对神经系统的作用；（2）对心血管系统的作用；（3）对血液成分的影响；（4）对内分泌系统的影响；（5）对生殖和子代发育的影响；（
20、6）与癌症、肿瘤的发生关系。 近年来，我国经济与城市化得到迅速发展，城市空域的电磁环境更为复杂，出现了许多新现象、新问题。主要有：（1）城市的发展与扩大，大中型广播电视与无线电通信发射台站被新开发的居民区所包围，局部居民生活区形成强场区；（2）移动通信技术（包括移动电话通信、寻呼通信、集群专业网通信）发展迅速，城市市区高层建筑上架起成百上千个移动通信发射基地站，（3）随着城市用电量增加，10KV和220KV高压变电站进入城市中心区；（4）城市交通运输系统（汽车、电车、地铁、轻轨及电气化铁路）迅速发展引起城市电磁噪声呈上升趋势；（5）个人无线电通信手段及家用电器增多，家庭小环境电磁能量密度增加，
21、室内电磁环境与室外电磁环境已融为一体，城市电磁环境总量在不断增加。 如上所述，恶化的电磁环境不仅对人类生活日益依赖的通信、计算机与各种电子系统造成严重的危害，而且会对人类身体健康带来威胁。为此世界各国都十分重视愈来愈复杂的电磁环境及其广泛的影响，电磁环境保护与电磁兼容技术已成为一个迅速发展的新学科领域。 环境热学 主要研究热环境及其对人体的影响，以及人类活动对热环境影响的学科。 环境的天然热源是太阳，环境的热特性取决于环境接收太阳辐射的情况，并与环境中大气同地表之间的热交换有关。大气中的臭氧、水蒸汽和二氧化碳是影响太阳辐射到达地表的强度的主要因素。在距地面2050公里上空的臭氧层，能大量地吸收
22、对生命物质有害的紫外线，是生物得以生存和发展的重要条件。 穿过大气的太阳直接辐射和散射光，一部分被地表反射，一部分被地表吸收。地表由于吸收短波辐射被加热，再以长波向外辐射。大气吸收辐射能后被加热，再以长波向地表、天空辐射。大部分长波辐射能被阻留在地表和大气下层，就使地表和大气下层的温度增高。产生所谓的温室效应。太阳向地表和大气辐射热能，地表和大气之间也不停地进行潜热交换和以对流及传导方式进行的显热交换。 人体不能完全适应天然环境剧烈的寒暑变化，为防御、缓和外界气候变化的影响，人类创造了房屋、火炉等，形成了人工热环境。 人工热环境是人类生活不可缺少的条件。热环境对人体的影响？环境与人的热舒适之间
23、的关系？是环境热学研究的内容之一。 环境热学要对热污染进行研究，热污染是指因为人类活动影响而造成的对热环境的危害现象。 人类活动主要从以下三个方面影响自然环境，从而引起热污染：1人类活动改变大气的组成，从而改变太阳辐射和地球辐射的透过率。如城市排放的烟尘使大气混浊度增加，影响环境接收太阳辐射。2人类活动改变地表状态与反射率，从而改变地表和大气间的换热过程，如大规模的农牧业开发使森林变为农田和草原，再化为沙漠；城市建设使大量的钢筋混凝土建筑物代替了田野和植物，这些现象都使地面的反射率不断改变，从而破坏环境的热平衡，形成热污染。3人类活动直接向环境释放热量。如城市消耗大量的燃料。在燃烧过程中产生的
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