环境物理学初探

1. 环境物理学初探 江苏省华罗庚中学 王志刚 2013年11月 环境科学教育课程基地•物理科普讲座

2. 物理环境 • 自然界中各种物质在重力场、地磁场、电场、辐射场中以不同运动形式进行能量交换和转化。物质能量交换和转化过程即构成了物理环境。 天然（原生）物理环境：风、雨、地震、海啸产生的自然声和振动，地磁场，火山爆发，太阳黑子，雷电，天然放射性核素等。 人工（次生）物理环境（主要研究对象）:人工噪声环境、振动环境、电磁辐射、放射性环境污染、热污染、光污染等。

3. 什么是环境物理学？ 物理环境 人类 相互作用

4. 环境物理学的分类 • 环境声学（较为成熟的学科，关注较早，发展最快） • 1962年中国马大猷教授等创建卦限消声室 • 1974年 第八届国际声学会议正式使用了“环境声学术语” • 1976年中国马大猷教授等研制成小孔消声器 • 环境热学 • 环境电磁学 • 环境光学 • 环境放射学 • 环境空气动力学

8. 物理性污染及其研究内容 1. 概念：物理运动的强度超过人的耐受限度。 2. 特点： （1）环境中永远存在，本身无害，仅在强度过高或过低时，危害人健康和生态环境； （2）一般局部性，不残留，源消失即污染消除。

9. 噪声污染及其控制 （1）最早的噪声定义 出自《说文》和《玉篇》，“扰也”“群呼烦扰也” （2）物理学观点 指各种频率和声强杂乱无序组合的声音。 （3）心理学观点 凡是人们不需要的声音。 （4）医学观点 医学上认为超过60分贝的声音。

10. 3. 噪声污染：噪声对周围环境造成不良影响。 《中华人民共和国环境噪声污染防治法 》定义环境噪声污染：指所产生的环境噪声超过国家规定的环境噪声排放标准，并干扰他人正常生活、工作和学习的现象（19970301）。 噪声排放：指噪声声源向周围环境辐射噪音。 噪声敏感集中区域：指医疗文教科研区和以机关或居民住宅为主的区域 4. 噪声特点 物理性污染 噪声污染

11. 噪声公害事件 (1) 1960年11月，日本广岛市一男子被附近工厂发出的噪声折磨得烦恼万分，以致最后刺杀了工厂主。 (2) 1961年07月，一名日本青年从新泻来东京找工作，由于住在铁路附近，日夜被频繁过往的客货车的噪声折磨，患了失眠症，不堪忍受痛苦，终于自杀身亡。 (3) 1961年10月，东京都品川区一家庭，母子3人因忍受不了附近建筑器材厂发出的噪声，试图自杀，未遂。 (4) 1981年，在美国的现代派露天音乐会，当震耳欲聋的音乐声响起后，有300多名听众突然失去知觉，昏迷不醒，100辆救护全国文秘工作者的114车到达现场抢救。这就是骇人听闻的噪声污染事件 (5) 1991年4月12日，美国南部的迈阿密商业机场上的恐怖试验。

13. 噪声影响 （1）听觉疲劳（暂时性听阈迁移） （2）噪声性耳聋（永久性听阈迁移） （3）暴振性耳聋((急性噪声性耳聋))：高强噪声（≥140dB）使得内耳鼓膜破裂，导致双耳完全失聪，成为永久性耳聋。

14. 噪声对听力的影响 与噪声性听力损伤率有关的因素： 噪声的强度； 频率； 接触时间

15. 噪声危害 （1）引起听力损伤、耳聋 （2）诱发多种疾病：中枢神经系统、心血管系统(心脏病) 、视觉系统、消化系统、生殖系统等生理变化，出现头痛、脑涨、头晕、疲劳、失眠、记忆力衰退等神经衰弱的症状、对血液成分造成影响、对儿童的智力发育造成影响。 （3）损害设备和建筑物 （4）影响正常生活：干扰睡眠和休息、正常交流等 （5）影响工作：广泛复杂、难定量

16. 噪声损害设备和建筑物 • 例：特强噪声对仪器设备和建筑结构的危害 • 特强噪声（>140dB）、极强噪声（>170dB）会损坏仪器设备和建筑结构，带来灾难性破坏。 • 如宇宙飞船和火箭机械结构，在特强噪声下，会产生“声疲劳”，使材料或结构产生疲劳断裂；当超英速飞机在低空掠过时，引起的“隆隆声”相当于炸弹爆炸，会使门窗损坏、墙面开裂、屋顶掀翻、烟囱倒塌。据统计在机械制造中，近80%事故和设备损伤与噪声、共振有关。

17. 噪声利用 • （1）噪声除草器 • 科学家发现，不同植物对不同噪声敏感程度不一样。噪声除草器发出噪声能使杂草种子提前萌发，这可在作物生长前用药物除掉杂草，保证作物生长。

18. （2）噪声诊病 • 噪声怎么能用于诊病呢？最近，科学家制成一种激光听力诊断装置，由光源、噪声发生器和电脑测试器组成。使用时，先由微型噪声发生器产生微弱短促噪声，振动耳膜，然后微型电脑根据回声，把耳膜功能数据显示出来，供医生诊断。测试迅速，不会损伤耳膜，无痛感，特别适合儿童使用。此外，还可用噪声测温法来探测人体病灶。

19. （3）噪音可抑制癌细胞生长速度（治癌） • 德国科学家实验发现，在噪音环境中癌细胞生长速度会减慢。这可能将为治疗癌症开辟一条新途径。佛莱堡医学院肿瘤科在海德堡德国音乐疗法研究中心的配合下成功地进行了这方面的初步实验。科学家们将试验皿中培养的肺癌细胞置于微型扬声器发出一定规律声音的环境中，结果发现，癌细胞的生长速度比正常条件下慢了20%。为了验证试验的可靠性，科学家们还通过使扬声器不发出声音而只是借助其磁场，对另一组试验皿中的癌细胞进行影响，实验表明，这一组癌细胞的生长速度并没有减慢。实验还发现，能抑制癌细胞生长速度的并不是含有某种意义的音乐，而是“拥有一定音色、音量、速度、声脉冲和时间间隔的普通声音”。目前，德国有关的科学家也在考虑进行利用可控声音刺激法抑制肿瘤细胞生长的大规模实验，进一步验证可靠性及可利用价值。

20. （4）噪音测量温度 • 美国科学家发明了一种新型温度计，利用噪音测量温度。发表在《科学》杂志上研究报告称，这种仪器能够在室温和摄氏-272.15度之间进行准确的测量。耶鲁大学研究人员用中间隔有一段氧化铝的两层铝制成。对仪器施以电压，产生电子穿过中间隔层，形成电流。电压磁场和噪音量之间关系(磁差)，在电流中是根据温度改变。因此，只要知道所加电压，这个被称为采集噪音温度（SNT）的仪器就能够测出温度。SNT在摄氏-272.15度时能精确到千分之一，精确度是现在用于测量接近绝对零度的温度计的5倍。这个新设计最大优势:是一个原始温度计：不需外部校准。因为电压、噪音和温度之间关系只依赖于最基本的物理恒量。此外，准确测温范围比其它温度计大得多。因此SNT可能比现在常用的直接温度计用途更广泛。

21. (5)噪音曾被用作刑罚 • 二战其间，某些国家用噪音折磨战俘，用高音喇叭对准敌国间谍，当声响让人难以忍受时，受刑者产生心痛、心情烦躁、思索困难等现象。于是审讯者可从中套出些情报，如不说，便加大响度，当声响超过130dB时，受刑者大汗淋漓、全身抽筋、大声呼叫，许多人撞墙自杀，或耳膜破裂而昏死。 • 许多俘虏在接受此刑罚后说：宁可枪杀，也不愿再受一次“噪音刑” • 古代中国有一种“钟下刑”，即让犯人站在大钟下，然后猛敲大钟，用噪音将死囚置于死地。

22. （6）发电：噪声是一种有能量的污染，如噪声达160dB的喷气式飞机，声功率约为10000W；噪声达140dB大型鼓风机，声功率约为100W，科学家发现人造铌酸锂具有在高频高温下将声能转变为电能的特殊功能。还发现，当声波遇到障碍物时，声能会转化为电能。可见利用噪声发电指日可待。　　（6）发电：噪声是一种有能量的污染，如噪声达160dB的喷气式飞机，声功率约为10000W；噪声达140dB大型鼓风机，声功率约为100W，科学家发现人造铌酸锂具有在高频高温下将声能转变为电能的特殊功能。还发现，当声波遇到障碍物时，声能会转化为电能。可见利用噪声发电指日可待。　　 （7）噪声除尘：美国科研人员研制出一种功率为2KW除尘报警器，能发出频率2000HZ、声强为160dB噪声，可用于烟囱除尘，控制高温、高压、高腐蚀环境中尘粒和大气压污染。　　 （8）噪声防暴克敌：可用噪声克制顽敌。目前已研制出一种“噪声弹、噪声步枪”能在爆炸间释放出大量噪声波，麻痹人中枢神经系统，使人暂时昏迷，可用于对付恐怖分子。

23. （9）噪声制冷 利用微弱的声振动来制冷的新技术。第一台样机已在美国试制成功。在一个结构异常简单、直径不足1m的圆筒里叠放着几片起传热作用的玻璃纤维板，筒内充满氦气或其他气体。筒的一端封死，另一端用有弹性的隔膜密闭.隔膜上的一根导线与磁铁式音圈连接，形成一个微传声器，声波作用于隔膜，引起来回振动，进而改变筒内气体的压力。由于气体压缩时变热，膨胀时冷却，这样制冷就开始了。 不难设想，今后的住宅厂房等建筑物如能加以考虑，大可一举降伏噪声这一无形祸害，为厂房、建筑物降温消暑。

24. （10）噪声施肥 有些农作物受噪声刺激，根茎叶表面的微孔会扩张到最大限度，利于肥料吸收和养分传播，提高产量。对西红柿、水稻、芝麻、土豆有利。 （11）噪声脱水 利用噪声和低频率波高速轰炸食品，其吸水能力为目前干燥技术的4-10倍。 （12）噪声去噪 英国 有源噪声控制系统：控制日常噪声，已用于汽车家电和交通运输行业

25. 噪声控制 声源 传播途径 接收器 控制 传播途径 抑制 噪声源 保护 接收器 环境噪声污染的主要环节

26. 1. 声源控制: 最根本最有效 （1）选用内阻尼大、内摩擦大的低噪声新材料 （2）改进结构，提高加工精度和装配质量 （3）改善或更换动力传递系统和采用高新技术，对工作机构从原理上进行革新 （4）改革生产工艺和操作方法 2. 传声途径的控制 距离、传播方向、隔声屏障、吸声材料和吸声结构、合理防噪声规划 3. 接收者的防护 （1）佩戴护耳器，如耳塞、耳罩、防声盔等 （2）减少在噪声环境中的暴露时间 （3）根据听力检测结果，适当调整在噪声环境中的工作人员。

27. 改变噪声指向:噪声在低频时，一般无指向性，但随着频率增高，其指向性也随之增加。因此对于高频噪声，改变指向是一项控制噪声的行之有效的对策。这就象大气污染控制中要求考虑全年主导风向，办公楼、生活区建在上风向。改变噪声指向:噪声在低频时，一般无指向性，但随着频率增高，其指向性也随之增加。因此对于高频噪声，改变指向是一项控制噪声的行之有效的对策。这就象大气污染控制中要求考虑全年主导风向，办公楼、生活区建在上风向。 • 筑墙控制噪声的传播:如图2，S、O、R分别为噪声源、墙顶端和接收点．墙对噪声的衰减量可用下式表示：这就是声屏障，道路声屏障工程渐成行业热点在降低交通干线噪声、工业生产噪声和社会环境噪声中发挥着独特的作用。

28. 利用大气、树木和草地可消弱噪声传播:噪声由气温高处向气温低处折射、由上风处向下风处折射。因此，噪声源应设置在低温和下风处。绿化城市，不仅可减弱噪声传播，且可防止空气污染。利用大气、树木和草地可消弱噪声传播:噪声由气温高处向气温低处折射、由上风处向下风处折射。因此，噪声源应设置在低温和下风处。绿化城市，不仅可减弱噪声传播，且可防止空气污染。

29. 接收器的保护措施 耳塞 防声棉 耳罩、头盔 隔声岗亭

30. 无源噪声接收器的控制技术:传统控制噪声的声学措施主要有吸声、隔声及使用消声器等方法，这些方法统称为“无源”噪声控制，一般来说，仅对中高频噪声控制有效。无源噪声接收器的控制技术:传统控制噪声的声学措施主要有吸声、隔声及使用消声器等方法，这些方法统称为“无源”噪声控制，一般来说，仅对中高频噪声控制有效。 有源噪声控制：为了抵消初级噪声，人为地产生一个声场（次级声场） 有源噪法研究新进展:这一方法由美国声学专家奥尔逊（Olscn）提出，就是用传声器接收某一声场的声音，经过放大、控制，使它再放出一个与原声场位相相反的声音，则这两个声音因位相相反而互相消弱，甚至完全抵消。用数学式子表示即：Acosωt＋Acos(ωt－π)=0

31. 其它噪声控制措施:近年来城市轨道交通和高等级公路的加速建设，各类道路声屏障也得到日益广泛普及，逐渐成为环保行业工程热点之一。其它噪声控制措施:近年来城市轨道交通和高等级公路的加速建设，各类道路声屏障也得到日益广泛普及，逐渐成为环保行业工程热点之一。 利用声学手段降噪实例（隔声） 北京轻轨铁路两侧的声屏障

32. 隔声窗

34. 生活中的电磁辐射与防护 • 什么是电磁辐射 • 电磁辐射对人体的危害 • 电磁辐射损伤人体的机制 • 身边亲密的杀手

35. 什么是电磁辐射? • 电磁波是一种物质存在形式，自从一百多年前麦克斯韦用理论形式证明其存在以来，人们对其的认识和应用在不断扩展着。它对于我们并不陌生，从古至今她就存在于我们周围。比如：阳光，闪电，被加热物体发出来的热辐射等等。

36. 基础知识 • 电磁场理论 • 物理场的理论 • 电场 • 磁场 • 电磁场 • 电磁辐射 • ……

37. 电磁污染的概念与种类 • 电磁污染的概念 • 电子电气设备在工作过程中会产生电磁辐射，当电磁场的强度达到一定的量后造成对环境的污染现象，就是电磁污染。 • 电磁污染源的种类 • 电磁污染源可以分为天然电磁污染源和人为电磁污染源两类。

38. 天然电磁污染源 • 天然电磁污染源是由自然现象引起，主要有宇宙射线、太阳热辐射、雷电、地球热辐射、还包括火山爆发、地震、太阳黑子活动引起的磁暴现象等。 • 直接危害电气设备和设施 • 产生电磁干扰，严重干扰短波通讯

40. 人为电磁污染源 • 人为电磁污染源包括： • 脉冲放电：本质上与雷电相同，影响区域较小。 • 如切断大电流电路时产生的火花放电会产生很强的电磁干扰。 • 工频交变电磁场：不向外辐射电磁波，对附近有严重的电磁干扰。 • 如大功率的发电机、变压器、输电线附近的电磁场。 • 比如收看无线电视节目时，有发电机的汽车或摩托车在附近经过时，致使电视机突然出现“雪花”现象。 • 射频电磁辐射：产生电磁污染的主要来源 • 如无线电广播、电视、微波通信等各种射频设备发射的电磁波，频率范围宽广，影响区域较大，能危害近场区的人员。

41. 人为电磁污染源 • 广播电视发射设备：广播电视的发射台和中转台 • 通信雷达及导航发射设备 • 包括短波发射台，微波通信站、地面卫星通信站、移动通信站。 • 工业、科研、医疗高频设备 • 工业：高频炉、塑料热合机、高频介质加热机等。 • 医疗：高频理疗机、超短波理疗机、紫外线理疗机等。 • 科学：电子加速器及各种超声波装置、电磁灶等。 • 交通系统电磁辐射干扰 • 电气化铁路、轻轨及电气化铁道、有轨道电车、无轨道电车等。 • 电力系统电磁辐射 • 高压输电线包括架空输电线和地下电缆，变电站包括发电厂和变压器电站。 • 家用电器电磁辐射 • 计算机、显示器、电视机、微波炉、无线电话等。

42. 电磁辐射污染的危害 • 电磁辐射对人体的作用机理 • 生物效应 • 强磁场效应、地磁场效应、极弱磁场效应 • 磁生物效应的特点 • 阈磁场效应、磁场场型效应、磁场矢量效应、磁滞滞后效应、磁场累计效应、磁场放大效应、磁致生物层次效应、磁致功能效应、磁致发育效应、磁致遗传效应。 • 磁生物效应的微观机理 • 影响电子传递、影响自由基活动、影响蛋白质酶的活性、影响生物半导体效应、影响生物体内的磁水效应、影响遗传基因的变化、影响生物的代谢过程。

43. 电磁辐射对人体的作用方式 • 电磁辐射对人体的作用机制，包括热效应、非热效应以及累积效应等。 • 热效应 • 人体70%以上是水，水分子受到电磁波辐射后相互磨擦，引起机体升温，从而影响到体内器官的正常工作。 • 产生热效的电磁波功率密度在10mW/cm2 • 微观致热效应1 mW - mW/cm2 • 浅致热效应在10mW/cm2以下。 • 微波炉的功能

44. 非热效应：人体的器官和组织都存在一个微弱的电磁场，受外界电磁场的干扰，处于平衡状态的微弱电磁场显现出非热效应。非热效应：人体的器官和组织都存在一个微弱的电磁场，受外界电磁场的干扰，处于平衡状态的微弱电磁场显现出非热效应。 • 神经系统：人的中枢神经系统受到强的电磁辐射后，会引发某些器官的功能发生变化。如条件反射性活动受到抑制，出现心动过缓等。 • 感觉系统：低强度的电磁辐射就可使人的嗅觉机能下降；当人头部受到低频小功率的声频脉冲照射时，就会使人听到好像机器响，昆虫或鸟儿鸣的声音。

45. 非热效应 • 免疫系统：长期接触低强度微波的人和同龄正常人相比，体液与细胞免疫指标中的免疫球蛋白降低，使人体的体液与细胞免疫能力下降。 • 内分泌系统：低强度微波辐射就可使人的丘脑-垂体-肾上腺功能紊乱；CRT、ACTH活性增加，内分泌功能受到影响。 • 遗传效应：微波能损伤染色体。 • 比如用195MHz、2.45GHz和96Hz的微波照射老鼠，会使4%-12%的精原细胞骨形成染色体缺陷，老鼠能继承这种缺陷，染色体缺陷可引起受伤者智力迟钝、平均寿命缩短。

46. 累积效应 • 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，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，也可能会诱发想不到的病变，应引起警惕。

47. 电磁辐射对人体的危害 • 电磁辐射的危害与波长有关。长波对人体的危害较弱，随着波长的缩短，对人体的危害运渐加强，而微波的危害最大。 • 研究发现，电磁场的生物效应随频率的加大而递增，其危害程度，微波＞超短波＞短波＞长波；脉冲波＞连续波。 • 频率与作用程度亦成正比。 • 强磁场能在短时间内使人失去定向感觉。

48. 电磁辐射对人体的危害 • 电磁辐射的致癌突变作用 • 美国一癌症疗基金会对一些遭电磁辐射损伤的病人抽样化验，结果表明在高压线附近工作的人快24倍。 • 对视觉系统的影响 • 能减少眼部血流量，引发视觉障碍，导致视觉疲劳和不舒适。 • 对神经系统和免疫系统造成直接伤害。 • 损害中枢神经系统，头部长期受电磁辐射影响后，轻则引起失眠多梦、头痛头昏、疲劳无力、记忆力减退、易怒、抑郁等神经衰弱症，重则使大脑皮细胞活动能力减弱，并造成脑损伤。

49. 对人体生殖系统和遗传的影响 • 长期受到电磁波辐照，可使男性精子减少，使精子基因畸形并可能变成不育或者畸胎。 • 电磁辐射是造成孕妇流产、不育、畸胎等病变的诱发因素。 • 女性和胎儿尤其容易受到伤害，1至3个月为胚胎期，受到强电磁辐射可能造成肢体缺陷或畸形；4至5个月为胎儿成长期，受电磁辐射可导致免疫力功能低下，出生后身体弱，抵抗力差。 • 引发心血管疾病、糖尿病 • 可导致儿童智力残缺

50. 电磁辐射对装置、物质和设备的影响及危害 • 主要是电磁干扰与电磁感应的作用 • 干扰通讯、电视信号 • 比如电子战 • 对易爆物质和装置的危害 • 火药、雷管和炸药等 • 常规电气引爆兵器装置等 • 电磁辐射对挥发性物质的危害 • 酒精、煤油、液化气等