Определение энергетического низкочастотного воздействия на застроенных территориях

УДК 504.61

М.В. Графкина, Б.Н. Нюнин, Е.Ю. Свиридова

Университет машиностроения

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО НИЗКОЧАСТОТНОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ НА ЗАСТРОЕННЫХ ТЕРРИТОРИЯХ

Рассмотрено актуальное направление — исследование электромагнитных и инфразвуковых полей застроенных территорий. Эти негативные факторы не воспринимаются основными рецепторами человека, и зачастую люди недооценивают опасности, исходящей от источников электромагнитных и инфразвуковых полей.

В настоящее время система экологического мониторинга инфразвуковых и низкочастотных электромагнитных полей на застроенных территориях включает исследование амплитудного спектра. Негативное воздействие этих факторов оценивается отдельно без учета их взаимного влияния на биологический объект.

Однако в научной литературе имеются сведения, показывающие влияние шума на электрические характеристики тела человека. В связи с этим авторы считают целесообразным определить интегральное энергетическое низкочастотное воздействие на застроенных территориях, что позволит объективно оценить общий уровень различных видов полей в рассматриваемой точке пространства в заданный момент времени и их негативное влияние на биологические объекты.

Предложен новый подход к экологическому мониторингу инфразвуковых и низкочастотных электромагнитных полей на основе определения энергетических параметров.

Теоретически обоснована возможность определения суммарного энергетического воздействия инфразвуковых и низкочастотных электромагнитных полей с учетом взаимного влияния этих факторов на биологический объект. Предложен алгоритм определения синергетического показателя энергетического низкочастотного негативного воздействия на основе измерения комплексных интенсивностей инфразвукового и низкочастотного электромагнитного полей.

Определение синергетического энергетического низкочастотного воздействия позволит объективно оценить негативное влияние электромагнитных и инфразвуковых полей на биологические объекты, а также решать принципиально новые задачи по повышению экологической безопасности застроенных территорий и защите населения от воздействия этих факторов.

Ключевые слова: застроенные территории, инфразвуковое поле, низкочастотное электромагнитное поле, энергетическое воздействие, активная интенсивность, реактивная интенсивность, комплексная интенсивность, экологический мониторинг, синергетический показатель воздействия.

Современная городская среда характеризуется не только ингредиентным, но и энергетическим загрязнением. Основными источниками низкочастотных электромагнитных полей являются: линии электропередачи, силовые трансформаторные подстанции, распределительные пункты системы энергоснабжения, воздушные электрические сети, транспорт, сети питания наземного электротранспорта и т.д. Источники инфразвука в городской среде — системы вентиляции, транспортные потоки, резонансные явления в конструкциях зданий и т.д.

В настоящее время система экологического мониторинга инфразвуковых и низкочастотных электромагнитных полей на застроенных территориях вклю-

116

© Графкина М.В., Нюнин Б.Н., Свиридова Е.Ю., 2014

чает исследование амплитудного спектра и проводится инструментальными и расчетными методами. Негативное воздействие этих факторов оценивается отдельно, без учета их взаимного влияния на биологический объект. Суммарное энергетическое воздействие не определяется, при этом экологическом мониторинге ингредиентного загрязнения существуют методики определения суммарных (интегральных) показателей негативного воздействия различных вредных веществ.

В научной литературе имеются сведения о негативном воздействии электромагнитных полей [1—10] и инфразвука [11] на человека и окружающую среду. Наибольший интерес в контексте данной работы представляют публикации о влиянии шумового воздействия на электрические характеристики тела человека [12, 13]. Суммарное энергетическое воздействие на биологический объект инфразвуковых и электромагнитных полей (ЭМП), таким образом, может рассматриваться как сложная система, предусматривающая взаимное влияние факторов, не подчиняющихся аддитивным законам. На рис. 1 приведена схема одновременного воздействия на биологический объект энергии от различных источников инфразвуковых и электромагнитных полей.

Рис. 1. Схема одновременного воздействия на биологический объект энергии от различных источников инфразвуковых и электромагнитных полей

Имея определенные наработки в области исследования низкочастотных электромагнитных и инфразвуковых полей [14, 15], авторы считают целесообразным определение интегрального энергетического низкочастотного воздействия на застроенных территориях, что позволит объективно оценить общий уровень различных видов полей в рассматриваемой точке пространства в заданный момент времени и их негативное влияние на биологические объекты.

Существующий порядок мониторинга электромагнитных низкочастотных полей на урбанизированных территориях предполагает отдельное измерение напряженности электрического поля Е, В/м, и напряженности магнитного поля Н, А/м. Считается, что электромагнитная волна в ближней зоне источника из-

ИсЛчннк ЭМП

лучения еще не сформировалась, поэтому при проведении мониторинга низкочастотных электромагнитных полей энергетические параметры ЭМП в настоящее время не измеряются. Нормирование по энергетическим показателям в настоящее время имеет место только для ЭМП радиочастотного спектра (в этом случае нормируется энергетическая экспозиция и плотность потока энергии). В то же время для определения энергетических параметров шума в ближней зоне источника существуют определенные методики [16].

Учитывая схожесть волновых процессов, происходящих в звуковом и электромагнитном поле, авторы предлагают новый подход к мониторингу ин-фразвуковых и низкочастотных электромагнитных полей на застроенных территориях — переход от измерения амплитудных характеристик к определению энергетических параметров.

Для инфразвука и низкочастотных ЭМП энергетическими параметрами являются комплексная интенсивность и ее составляющие: активная интенсивность и реактивная интенсивность. Реактивная интенсивность характеризует процесс периодического обмена энергией между источником энергии и ближней зоной. Энергия то забирается от источника и накапливается в поле, то отдается обратно источнику. Активная интенсивность характеризует процесс излучения энергии. В общем виде вектор комплексной интенсивности !к равен:

Ь = Ь + ^ ,

т - —т Т "

где I а — вектор активной интенсивности, —— ; — вектор реактивной ин-

м2

Вт

тенсивности, —— .

м—

Для определения суммарного энергетического негативного воздействия на окружающую среду и биологические объекты сначала определяем активную и реактивную интенсивности инфразвукового и электромагнитного поля:

¡а. = ^2* +-С + ^ ,

где Iа — активная интенсивность инфразвукового поля, —Т ; 1а х — актив-

м

ная интенсивность инфразвукового поля в проекции на ось Х, —Т ; 1 аиу — ак-

м2

Вт

тивная интенсивность инфразвукового поля в проекции на ось У, —— ; I а 2 —

м—и

активная интенсивность инфразвукового поля в проекции на ось Z, —у ;

1и+/£ , м

где I — реактивная интенсивность инфразвукового поля, —у ; Ц х — реак-и м— и

тивная интенсивность инфразвукового поля в проекции на ось Х, —у ; I, у —

м—и

Безопасность строительных систем. Экологические проблемы в строительстве. Геоэкология УЕБТЫНС

_мвви

реактивная интенсивность инфразвукового поля в проекции на ось У, ;

м

I ¡^ — реактивная интенсивность инфразвукового поля в проекции на ось Z, —т;

м

.. + 'i +t.

Вт т

где Ia — активная интенсивность электромагнитного поля, —2 ; Iax — ак-

м2

у Вт ,

тивная интенсивность электромагнитного поля в проекции на ось Х, —2 ; ,ay —

м2' ^

у Вт

активная интенсивность электромагнитного поля в проекции на ось У, —2;

м2

Т 7 Вт

1а2 — активная интенсивность электромагнитного поля в проекции на ось /, —2;

э м2

Т Вт _

где Т — реактивная интенсивность электромагнитного поля, —— ; 1{х — ре-

э 2 э

м

у Вт

активная интенсивность электромагнитного поля в проекции на ось Х, —2;

м2

I у — реактивная интенсивность электромагнитного поля в проекции на ось

э-'

у Вт ,

У, —2 ; I г — реактивная интенсивность электромагнитного поля в проекции м2э

7 Вт на ось /, —— .

м2

После этого определим комплексные интенсивности инфразвукового и электромагнитного поля:

^ Ч * + 'I'

где 1к — комплексная интенсивность инфразвукового поля, В^ . и м2

7ч =<¡4 +1? '

э V э э

_ Вт

где 1 — комплексная интенсивность электромагнитного поля, —— .

э 2

м

Инфразвуковое и электромагнитное поле негативно воздействуют на биологический объект:

^ ^ V;

4 ^ V,

ВЕСТНИК

МГСУ-

4/2014

где Уи — негативное воздействие на биологический объект, вызванное инфраз-вуковым полем; Уэ — негативное воздействие на биологический объект, вызванное электромагнитным полем.

В настоящее время воздействие электромагнитного и инфразвукового поля нормируется раздельно без учета их взаимного влияния на биологический объект. Суммарное энергетическое воздействие подчиняется аддитивной функции. При этом синергетический (интегральный) показатель энергетического низкочастотного негативного определяется следующим выражением:

Ут = к V + к2К,

где к1 — весовой коэффициент негативного воздействия на биологический объект инфразвукового поля; к2 — весовой коэффициент негативного воздействия на биологический объект электромагнитного поля.

Однако, учитывая данные, приведенные в [12, 13], синергетический показатель энергетического низкочастотного негативного воздействия следует определять с учетом взаимного влияния инфразвуковых и электромагнитных полей:

= V + V + /

где /(К К) — функция, учитывающая взаимное влияние воздействий ин-фразвукового и низкочастотного электромагнитного полей на биологический объект;

+

е + е

+ / (а) ,

где /(( 1К ) — функция, учитывающая взаимное влияние инфразвукового и низкочастотного электромагнитного полей на биологический объект.

Алгоритм определения интегрального показателя энергетического низкочастотного негативного воздействия приведен на рис. 2, где V V У — колебательная скорость в проекциях на оси X, У, 2; Р, Р Р^ — звуковое давление в проекциях на оси X, У, 2; Ех, Е Ег — напряженность электрического поля в проекциях на оси X, У, 2; Н, Н, Н — напряженность электрического поля

х у г г г

в проекциях на оси X, У, 2.

Для практической реализации сформулированных теоретических положений авторами проведены измерения энергетических параметров инфразвука и низкочастотного ЭМП.

В заглушенной камере (замкнутый объем) на основе измерений колебательной скорости частиц воздуха и звукового давления было определено пространственное распределение активной и реактивной интенсивности от инфразвукового

Рис. 2. Алгоритм определения интегрального показателя энергетического низкочастотного негативного воздействия

источника на частоте 6 Гц. Уровень активной и реактивной интенсивности доходил до 50 дБ.

Для определения активной интенсивности низкочастотного ЭМП была создана измерительная система, включающая в себя антенны измерительные, октафон, аналого-цифровой преобразователь (АЦП), а также двухканальный анализатор спектра. Вблизи кабеля электропитания одновременно измерялась напряженность электрического и магнитного полей, после этого преобразованный с помощью АЦП сигнал передавался на анализатор спектра и определялась активная интенсивность, спектр которой представлен на рис. 3.

Cras Spccliunb ILefTRight]

! I

"5

>

2!е-ОзЯ

t.le-OjH

Ме-(нЦ

50 100 IJO 200 __ , 250 300

Frequency

Рис. 3. Спектр активной интенсивности низкочастотного электромагнитного поля

Определение синергетического энергетического низкочастотного воздействия в городской среде позволит объективно оценить его негативное влияние на биологические объекты, а также решать принципиально новые задачи по повышению экологической безопасности застроенных территорий и защите населения от воздействия этих факторов.

Библиографический список

1. Balodis V. Electric and magnetic fields // Environmental Issues. 2008. № 5. 81 p.

2. Blanc M. Biological effects of environmental electromagnetic fields. Washington (DC). 2005. 376 p.

3. Feychting K. EMF. Boston, 2003. 301 p.

4. Peter A. Electric and magnetic fields (EMF) and health. The 2nd International Conference on Electromagnetic safety, 2001. 125 p.

5. SheppardA. Electromagnetic fields. Report to the Montana Department of Natural Resources, 2005. 10 p.

6. Silverman H. Negative effect of electromagnetic fields. Lester, 1999. 198 p.

7. Stevents I. Electromagnetic fields and human being. Lids, 1996. 206 p.

8. Бинги В.Н. Принципы электромагнитной биофизики. М., 2011. 592 с.

9. Твердислов В.А., Сидорова А.Э. Биофизическая экология. Ноосфера как иерархия активных сред // Проблемы биологической физики. М. : Ленланд, 2011. С. 42—58.

10. Сидорова А.Э., Яковенко Л.В., Антонов В.А. Воздействие электромагнитных полей промышленной частоты на устойчивость био- и урбоэкосистем // Экология урбанизированных территорий. 2007. № 1. С. 15—22.

11. Косачева Т.И., Алексеев В.Н., Свидовый В.И. Данные морфологических исследований века после воздействия инфразвука // Проблемы теории и практики укрепления общественного и индивидуального здоровья в современных условиях. СПб., 1999. С. 128—129.

12. Зыкина Е.В., Елисеева Т.Л., Тряпицын А.Б. Экспериментальная установка для исследования влияния шума на электротехнические характеристики тела человека // Защита населения от повышенного шумового воздействия : сб. докладов III Всерос. научн.-практ. конф. с международным участием. Санкт-Петербург, 2011. С. 232—237.

13. Кацай В.В. Зависимости сопротивления тела человека от шума и приложенного напряжения // Электробезопасность. 2005. № 1. С. 3—6.

14. Развитие системы экологического мониторинга электромагнитных и ин-фразвуковых низкочастотных полей на застроенных территориях / М.В. Графкина, Б.Н. Нюнин, Е.Ю. Свиридова, Е.П. Теряева // Интернет-журнал «Строительство уникальных зданий и сооружений». 2012. № 4. Режим доступа: www.unistroy.spb.ru. Дата обращения: 25.02.2014.

15. Графкина М.В., Нюнин Б.Н., Свиридова Е.Ю. Совершенстовование системы мониторинга электромагнитной безопасности жилых помещений // Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова. 2013. № 4. С. 40—42.

16. Интенсивность звука / Брюль и Къер. Дания, 2000. 44 с.

Поступила в редакцию в марте 2014 г.

Об авторах: Графкина Марина Владимировна — доктор технических наук, профессор, заведующая кафедрой экологической безопасности автомобильного транспорта, Московский государственный машиностроительный университет (МАМИ) (Университет машиностроения), 107023, г. Москва, ул. Большая Семеновская, д. 38, 8(499)267-16-05, marina.grafkina@rambler.ru;

Нюнин Борис Николаевич — доктор технических наук, профессор кафедры экологической безопасности автомобильного транспорта, Московский государственный машиностроительный университет (МАМИ) (Университет машиностроения), 107023, г. Москва, ул. Большая Семеновская, д. 38, 8(499)267-16-05, borisnyunin@mail.ru;

Свиридова Евгения Юрьевна — кандидат технических наук, доцент кафедры экологической безопасности автомобильного транспорта, Московский государственный машиностроительный университет (МАМИ) (Университет машиностроения), 107023, ул. Большая Семеновская, д. 38, 8(499)267-16-05, evg_sviridova@mail.ru.

Для цитирования: Графкина М.В., Нюнин Б.Н., Свиридова Е.Ю. Определение энергетического низкочастотного воздействия на застроенных территориях // Вестник МГСУ 2014. № 4. С. 116—124.

M.V. Grafkina, B.N. Nyunin, E.Yu. Sviridova

DETERMINATION OF LOW-FREQUENCY ENERGY EFFECT IN BUILT-UP AREAS

The article is devoted to the topical direction - study of electromagnetic fields and infrasound built-up areas. These negative factors are not perceived by basic human receptors, and often people underestimate the danger posed by the sources of electromagnetic fields and infrasound.

Currently, environmental monitoring system of infrasound and low-frequency electromagnetic fields in built up areas includes a study of the amplitude spectrum. The negative impact of these factors is evaluated separately without taking into account their mutual influence on the biological object.

However, in the literature there is the data showing the effect of noise on the electrical characteristics of the human body. In this regard, the authors consider appropriate definition of the integral energy of low-frequency effects on built-up areas that will objectively evaluate the overall level of various kinds of fields at the point in space at a given time and their negative impact on biological objects.

The authors propose a new approach to ecological monitoring of infrasound and low-frequency electromagnetic fields on the basis of determining the energy parameters.

The paper theoretically proved it possible to determine the total energy impact of infrasound and low-frequency electromagnetic fields, taking into account the mutual influence of these factors on biological object. The article presents an algorithm of the synergistic index of the low-frequency energy of negative impact on the basis of measurements of integrated intensities of infrasound and low-frequency electromagnetic fields.

Definition of the synergistic energy of low-frequency effects allows objectively assessing the negative effects of electromagnetic fields and infrasound on biological objects, as well as fundamentally new challenges to improve environmental safety of built-up areas and the protection of the population from the effects of these factors.

Key words: built-up areas, infrasound field, low frequency electromagnetic field, energy impact, active intensity, reactive intensity, integrated intensity, environmental monitoring, synergistic indicator of exposure.

References

1. Balodis V. Electric and Magnetic Fields. Environmental Issues. 2008, no. 5, 81 p.

2. Blanc M. Biological Effects of Environmental Electromagnetic Fields. Washington (DC), 2005, 376 p.

3. Feychting K. EMF. Boston, 2003, 301 p.

4. Peter A. Electric and Magnetic Fields (EMF) and Health. The 2nd International Conference on Electromagnetic Safety. 2001, 125 p.

5. Sheppard A. Electromagnetic Fields. Report to the Montana Department of Natural Resources. 2005, 10 p.

6. Silverman H. Negative Effect of Electromagnetic Fields. Lester, 1999, 198 p.

7. Stevents I. Electromagnetic Fields and Human Being. Lids, 1996, 206 p.

8. Bingi V.N. Printsipy elektromagnitnoy biofiziki [Principles of Electromagnetic Biophysics]. Moscow, 2011, 592 p.

9. Tverdislov V.A., Sidorova A.E. Biofizicheskaya ekologiya. Noosfera kak ierarkhiya ak-tivnykh sred [Biophysical Ecology. Noosphere as an Hierarchy of Active Environments]. Prob-lemy biologicheskoy fiziki [Problems of Biological Physics]. Moscow, Lenland Publ., 2011, pp. 42—58.

10. Sidorova A.E., Yakovenko L.V., Antonov V.A. Vozdeystvie elektromagnitnykh poley promyshlennoy chastoty na ustoychivost' bio- i urboekosistem [Impact of Electromagnetic Fields of Industrial Frequency on Stability of Bio and Urban and Ecological Systems]. Ekologiya urbanizirovannykh territoriy [Ecology of Urbanized Territories]. 2007, no. 1, pp. 15—22.

11. Kosacheva T.I., Alekseev V.N., Svidovyy V.I. Dannye morfologicheskikh issledovaniy veka posle vozdeystviya infrazvuka [Data on Morphological Researches of a Century after Infrasound Influence]. Problemy teorii i praktiki ukrepleniya obshchestvennogo i individual'nogo zdorov'ya v sovremennykh usloviyakh [Problems of the Theory and Practice of Public and Individual Health Promotion in Modern Conditions]. St. Petersburg, 1999, pp. 128—129.

12. Zykina E.V., Eliseeva T.L., Tryapitsyn A.B. Eksperimental'naya ustanovka dlya issle-dovaniya vliyaniya shuma na elektrotekhnicheskie kharakteristiki tela cheloveka [Experimental Setup for Studying the Effects of Noise on the Electrical Characteristics of the Human Body]. Zashchita naseleniya ot povyshennogo shumovogo vozdeystviya: sbornik dokladov III Vserossiyskoy nauchno-prakticheskoy konferentsii s mezhdunarodnym uchastiem [Proceedings of the 3rd Russian Scientific and Practical Conference with International Participation "Protecting the Population from High Noise Exposure]. St. Petersburg, 2011, pp. 232—237.

13. Katsay V.V. Zavisimosti soprotivleniya tela cheloveka ot shuma i prilozhennogo napryazheniya [Dependences of a Human Body Resistance on Noise and the Applied Tension]. Elektrobezopasnost', 2005, no. 1, pp. 3—6.

14. Grafkina M.V., Nyunin B.N., Sviridova E.Yu., Teryaeva E.P. Razvitie sistemy eko-logicheskogo monitoringa elektromagnitnykh i infrazvukovykh nizkochastotnykh poley na

zastroennykh territoriyakh [Development of the System of Environmental Monitoring of Electromagnetic and Infrasonic Low-frequency Fields in Built-up Territories]. Internet-zhurnal «Stroitel'stvo unikal'nykh zdaniy i sooruzheniy» [Construction of Unique Buildings and Structures]. 2012, no. 4. Available at: www.unistroy.spb.ru. Date of access: 25.02.2014.

15. Grafkina M.V., Nyunin B.N., Sviridova E.Yu. Sovershenstovovanie sistemy monitoringa elektromagnitnoy bezopasnosti zhilykh pomeshcheniy [Monitoring System Improvement of Electromagnetic Security of Living Areas]. Vestnik BGTU im. V.G. Shukhova [Proceedings of Belgorod State Technological University named After V. G. Shoukhov]. 2013, no. 4, pp. 40—42.

16. Intensivnost' zvuka [Sound Intensity]. Brüel & Kj^r, Denmark, 2000, 44 p.

About the authors: Grafkina Marina Vladimirovna — Doctor of Technical Sciences, Professor, chair, Department of Ecological Safety of Motor Vehicles, Moscow State University of Mechanical Engineering (MAMI), 38 Bolshaya Semenovskaya, 107023, Moscow, Russian Federation; marina.grafkina@rambler.ru; +7 (499)267-16-05;

Nyunin Boris Nikolaevich — Doctor of Technical Sciences, Professor, Department of Ecological Safety of Motor Vehicles, Moscow State University of Mechanical Engineering (MAMI), 38 Bolshaya Semenovskaya, 107023, Moscow, Russian Federation; borisnyuinin@ mail.ru; +7(499)267-16-05;

Sviridova Evgeniya Yur'evna — Candidate of Technical Sciences, Assosiate Professor, Department of Ecological Safety of Motor Vehicles, Moscow State University of Mechanical Engineering (MAMI), 38 Bolshaya Semenovskaya, 107023, Moscow, Russian Federation; evg_sviridova@mail.ru; +7(499)267-16-05.

For citation: Grafkina M.V., Nyunin B.N., Sviridova E.Yu. Opredelenie energeticheskogo nizkochastotnogo vozdeystviya na zastroennykh territoriyakh [Determination of Low-Frequency Energy Effect in Built-up Areas]. Vestnik MGSU [Proceedings of Moscow State University of Civil Engineering]. 2014, no. 4, pp. 116—124.