CC BY
44
ВЕСТНИК с(оп,-
5/2013
БЕЗОПАСНОСТЬ СТРОИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ. ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ В СТРОИТЕЛЬСТВЕ.
ГЕОЭКОЛОГИЯ
УДК 621.317
М.В. Графкина, Б.Н. Нюнин, Е.Ю. Свиридова
ФГБОУ ВПО «МАМИ»
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПРЕДПОСЫЛКИ МОНИТОРИНГА
АКТИВНОЙ И РЕАКТИВНОЙ ИНТЕНСИВНОСТИ НИЗКОЧАСТОТНЫХ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ
Проведен анализ энергетических характеристик низкочастотных электромагнитных полей; показана связь величины и направления активной и реактивной интенсивности с видом поляризации электромагнитной волны, границами ближней и дальней зоны поля, расстоянием до источника излучения.
Обоснована необходимость определения активной и реактивной интенсивности при электромагнитном мониторинге селитебных территорий, разработке наиболее эффективных средств и методов защиты.
Ключевые слова: низкочастотное электромагнитное поле, активная и реактивная интенсивность, поляризация, ближняя и дальняя зона, временной сдвиг, фазовый сдвиг, электромагнитный мониторинг, селитебные территории.
Общеизвестно негативное воздействие низкочастотных электромагнитных полей на человека, природную среду селитебных территорий [1—4]. Основными источниками низкочастотных электромагнитных полей (ЭМП) на селитебных территориях являются линии электропередачи, силовые трансформаторные подстанции, распределительные пункты системы энергоснабжения, воздушные электрические сети, транспортный поток, сети питания и тяговые подстанции электротранспорта и т.д. В настоящее время мониторинг низкочастотных ЭМП проводится только на основе измерений амплитудных значений напряженностей электрического и магнитного поля на различных расстояниях от источника излучений; практически отсутствуют данные об исследовании и измерении энергетических характеристик низкочастотных ЭМП в ближней зоне.
Имея определенные наработки в этой области исследований [5-7], авторы считают целесообразным разработку новых подходов к экологическому мониторингу электромагнитных полей и проведение необходимых исследований по выявлению закономерностей распределения энергетических параметров низкочастотных электромагнитных полей.
В общем случае между векторами напряженности электрического поля Е и магнитного поля Н существует пространственный и временной сдвиги. В среде с потерями пространственный угол между Е и Н не равен 90°; в идеальной среде он всегда составляет 90°. Что касается временного сдвига между Е и Н, то он будет зависеть от характера ЭМП.
Вт • см2
Для источников низкочастотных электромагнитных полей характерно наличие ближних и дальних зон.
В ближней зоне происходит два качественно различных в энергетическом отношении процесса. Первый процесс — это процесс периодического обмена энергией между источником энергии и ближней зоной (реактивная интенсивность I). Энергия то забирается от источника и накапливается в электромагнитном поле ближней зоны, то отдается обратно источнику. Второй процесс — это процесс излучения энергии (активная интенсивность Ia). Он характеризует волновой процесс в ближней зоне. Излучаемая энергия составляет относительно небольшую величину по сравнению с энергией, периодически накапливаемой в электромагнитном поле ближней зоны и затем отдаваемой источнику питания [8].
Как правило, низкочастотные электромагнитные поля представляют собой стационарные (постоянные во времени) гармонические волны.
В стационарных гармонических электромагнитных волнах вектор комплексной интенс ивности равен
h = la + ¿I , 2
т ~ Вт • см где la — вектор активной интенсивности ЭМП, -; — вектор реактивной интенсивности ЭМП,
с
Определение комплексной интенсивности ЭМП позволит оценить пространственное распределение электромагнитной энергии, найти направление и расстояние до источника излучения, а при наличии нескольких источников идентифицировать источник, вносящий максимальный вклад в уровень электромагнитного загрязнения, и разработать наиболее эффективные методы защиты.
Вектор комплексной интенсивности (активной и реактивной) и его компонент может определяться следующим образом: в некоторой точке пространства измеряются взаимно перпендикулярные вектора Е и Н, а также временной сдвиг ЛфЕЯ между ними. На основании этих данных рассчитывают активную Ia и реактивную I. интенсивности ЭМП:
Ia = EH cos ЛФЕН,
I = EH sin Лфен .
Если соотношение Ii/Ia равно 0, то мы имеем дело с дальней зоной электромагнитного поля, если соотношение не равно 0, то — это ближняя зона.
Можно также определить расстояние до источника излучения R по формуле
R = ,
I k
j
где k = 2п /1 — волновое число; 1 — длина волны, м; Ia — активная интен-
2 2 Вт • см Вт • см
сивность ЭМП,-с-•; I — реактивная интенсивность ЭМП,-с-•
Направление на источник излучения определяется по направлению вектора активной интенсивности ЭМП.
ВЕСТНИК
МГСУ-
5/2013
При наличии нескольких источников ЭМП в ближнем поле усложнена их идентификация при использовании только одной активной интенсивности. В этом случае особенно полезна реактивная интенсивность, поскольку она будет исходить из области максимума потока электромагнитной энергии или от источников излучений при проведении измерений рядом с ними. Реактивная интенсивность может быть использована также при определении пространственного распределения источников.
Наличие реактивной интенсивности в дальней зоне служит признаком присутствия двух или более источников ЭМП.
Рассмотрим два предельных случая разности фаз между Е и Н. На рис. 1 представлен случай, когда временной сдвиг между Е и Н Дф ен = 0° (рис. 1, а), существует только активная интенсивность I направленная перпендикулярно плоскости Е—Н (рис. 1, б), при этом конец вектора Е с течением времени перемещается вдоль отрезка прямой линии (линейная поляризация).
б
Рис. 1. Отсутствие временного сдвига между Е и Н (Дф Ен = 0°)
На рис. 2 представлен случай, когда временной сдвиг между Е и Н ЛфЕН = 90°, существует только реактивная интенсивность.
В интервале ЛфЕН от 0° до 90° конец вектора Е описывает эллипс или круг (эллиптическая или круговая поляризация) [9]. Плоскость движения вектора Е совпадает с плоскостью, определяемой векторами активной и реактивной интенсивности. Знание вида поляризации электромагнитной волны позволит повысить эффективность методов защиты от негативного воздействия электромагнитных полей.
а
Рис. 2. Временной сдвиг между Е и Н АфЕН = 90°
Эти закономерности были использованы при исследовании низкочастотных звуковых полей [10].
Рассмотренный подход к исследованию особенностей низкочастотных электромагнитных полей целесообразно использовать при проведении электромагнитного мониторинга селитебных территорий. В большинстве случаев при электромагнитном мониторинге приходится иметь дело с несколькими источниками низкочастотных ЭМП, при этом не все источники определяются визуально, и применение данного подхода позволит выявить источник, вносящий максимальный вклад в уровень электромагнитного загрязнения, а также разработать наиболее эффективные методы защиты.
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 2th International Conference on Electromagnetic safety, 2001. 125 p.
5. Развитие системы экологического мониторинга электромагнитных и инфразвуковых низкочастотных полей на застроенных территориях / М.В. Графкина, Б.Н. Нюнин, Е.Ю. Свиридова, Е.П. Теряева // Строительство уникальных зданий и сооружений. 2012. № 4. Режим доступа: www.unistroy.spb.ru. Дата обращения: 20.02.13.
6. Графкина М.В., Свиридова Е.Ю. Экологический мониторинг и повышение электромагнитной безопасности строительных объектов вблизи линий электропередачи // Отраслевые аспекты технических наук. 2011. № 11. С. 3—6.
7. Графкина М.В., Нюнин Б.Н. К вопросу исследования тонкой структуры инфразвукового и электромагнитного полей автомобиля // Известия МГТУ «МАМИ». 2012. № 1(13). С. 180—184.
8. Бессонов Л.А. Теоретические основы электротехники: электромагнитное поле. М. : Высш. шк., 1978. 231 с.
9. Пименов В.Ю., Вольман В.И., Муравцов А.Д. Техническая электродинамика. М. : Радио и Связь, 2000. 536 с.
10. Авторское свидетельство от 01.06.1986 № 1260690 «Способ определения коэффициента отражения звука» / Б.Н. Нюнин, А.Н. Иванников и др.
ВЕСТНИК с(оп,-
5/2013
Поступила в редакцию в марте 2013 г.
Об авторах: Графкина Марина Владимировна — доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой экологической безопасности автомобильного транспорта, ФГБОУ ВПО «Московский государственный машиностроительный университет» (ФГБОУ ВПО «МАМИ»), 107023, г. Москва, ул. Большая Семеновская, д. 38, 8(495)223-05-23 вн. 12-09, marina.grafkina@rambler.ru;
Нюнин Борис Николаевич — доктор технических наук, профессор кафедры экологической безопасности автомобильного транспорта, ФГБОУ ВПО «Московский государственный машиностроительный университет» (ФГБОУ ВПО «МАМИ»), 107023, г. Москва, ул. Большая Семеновская, д. 38, 8(495)223-05-23 вн. 13-13, ecoma-mi@mail.ru;
Свиридова Евгения Юрьевна — кандидат технических наук, доцент кафедры экологической безопасности автомобильного транспорта, ФГБОУ ВПО «Московский государственный машиностроительный университет» (ФГБОУ ВПО «МАМИ»), 107023, г. Москва, ул. Большая Семеновская, д. 38, 8(495)223-05-23 вн. 13-13, evg_ sviridova@mail.ru.
Для цитирования: Графкина М.В., Нюнин Б.Н., Свиридова Е.Ю. Теоретические предпосылки мониторинга активной и реактивной интенсивности низкочастотных электромагнитных полей // Вестник МГСУ 2013. № 5. С. 112—117.
M.V. Grafkina, B.N. Nyunin, E.Yu. Sviridova
THEORETICAL PRECONDITIONS FOR THE MONITORING OF ACTIVE AND REACTIVE INTENSITY OF LOW-FREQUENCY ELECTROMAGNETIC FIELDS
Electromagnetic fields have intensified in residential areas due to higher electricity consumption rates. The adverse effect of low-frequency electromagnetic fields produced on the human environment is well-known.
The main sources of low-frequency electromagnetic fields (EMF) in the urban environment include power lines, transformer boxes, electricity distribution hubs, electricity grids, traffic flows, etc.
Presently, low-frequency electromagnetic fields are monitored by taking measurements of peak values of electric and magnetic fields at different distances from sources of radiation. The energy parameters and the nature of low-frequency electromagnetic fields are poorly covered in the academic literature.
The authors find it useful to develop new approaches to the environmental monitoring of electromagnetic fields and to study patterns of distribution of low-frequency electromagnetic fields.
The authors demonstrate the relationship between the magnitude and direction of active and reactive intensity of an electromagnetic field based on the polarization of electromagnetic waves and the distance to the source.
The need to identify the active and reactive intensity of electromagnetic fields in residential areas and to select the most effective means and methods of protection are evident. The authors make an attempt to identify the energy parameters of the EMF, to develop new theoretical propositions, methodologies, techniques and tools for the monitoring of electromagnetic safety of residential areas, which may cause revision of the effective regulatory framework.
Approaches proposed by the authors help identify the characteristics of electromagnetic fields and sources that make a maximum contribution to excessive electromagnetic pollution, and develop the most effective tips and techniques aimed at reduction of negative effects of electromagnetic fields.
Key words: low-frequency electromagnetic field, active and reactive intensity,
polarization, time, phase shift, electromagnetic monitoring, built-up environment.
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 2th International Conference on Electromagnetic Safety, 2001, 125 p.
5. Grafkina M.V., Nyunin B.N., Sviridova E.Yu., Teryaeva E.P. Razvitie sistemy ekologicheskogo monitoringa elektromagnitnykh i infrazvukovykh nizkochastotnykh poley na zastroennykh territoriyakh [Development of the System of Monitoring of Electromagnetic and Infrasound Low-frequency Fields in Built-up Areas]. 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: 20.02.13.
6. Grafkina M.V., Sviridova E.Y. Ekologicheskiy monitoring i povyshenie elektromagnitnoy bezopasnosti stroitel'nykh ob"ektov vblizi liniy elektroperedachi [Environmental Monitoring and Improvement of Electromagnetic Safety of Buildings near Electricity Lines]. Otraslevye aspekty tekhnicheskikh nauk [Industry-specific Aspects of Engineering Sciences]. 2011, no. 11, pp. 3—6.
7. Grafkina M.V., Nyunin B.N. K voprosu issledovaniya tonkoy struktury infrazvukovogo i elektromagnitnogo poley avtomobilya [On the Study of the Fine Structure of Infrasound and Electromagnetic Fields of Cars]. Izvestiya MGTU «MAMI» [Proceedings of MSTU MAMI]. 2012, no. 1(13), pp.180—184.
8. Bessonov L.A. Teoreticheskie osnovy elektrotekhniki: elektromagnitnoe pole [Theoretical Fundamentals of Power-driven Machinery: Electromagnetic Field]. Moscow, Vyssh. Shk. Publ. 1978, 231 p.
9. Pimenov V.Yu., Vol'man V.I., Muravtsov A.D. Tekhnicheskaya elektrodinamika [Engineering Electrodynamics]. Moscow, Radio i Svyaz' Publ., 2000, 536 p.
10. Nyunin B.N., Ivannikov A.N. Sposob opredeleniya koeffitsienta otrazheniya zvuka [Method of Identification of Sound Reflection Ratio]. Authorship Certificate no. 1260690 issued on 01.06.1986.
About the authors: Grafkina Marina Vladimirovna — Doctor of Technical Sciences, Professor, Chair, Department of Environmental Safety of Motor Transport, Moscow State University of Machine Building (MAMI), 38 Bolshaya Semenovskaya St., Moscow, 107023, Russian Federation; ecomami@mail.ru; +7 (495) 223-05-23, ext. 12-09.
Nyunin Boris Nikolaevich — Doctor of Technical Sciences, Professor, Department of Environmental Safety of Motor Transport, Moscow State University of Machine Building (MAMI), 38 Bolshaya Semenovskaya St., Moscow, 107023, Russian Federation; ecomami@ mail.ru; +7 (495) 223-05-23, ext.13-13.
Sviridova Evgeniya Yur'evna — Candidate of Technical Sciences, Associate Professor, Department of Environmental Safety of Motor Transport, Moscow State University of Machine Building (MAMI), 38 Bolshaya Semenovskaya St., Moscow, 107023, Russian Federation; evg_sviridova@mail.ru; +7 (495) 223-05-23, ext. 13-13.
For citation: Grafkina M.V., Nyunin B.N., Sviridova E.Yu. Teoreticheskie predposylki monitoringa aktivnoy i reaktivnoy intensivnosti nizkochastotnykh elektromagnitnykh poley [Theoretical Preconditions for the Monitoring of Active and Reactive Intensity of Low-frequency Electromagnetic Fields]. Vestnik MGSU [Proceedings of Moscow State University of Civil Engineering]. 2013, no. 5, pp. 112—117.
