手機(jī)電磁輻射的測定研究

蘭善燦，莊榕榕

（閩南師范大學(xué) 物理與信息工程學(xué)院，福建 漳州 363000）

1 引言

我國工業(yè)和信息化部于2015年1月21日發(fā)布的2014年通信運(yùn)營業(yè)統(tǒng)計(jì)公報(bào)顯示.2014年，全國移動(dòng)電話用戶凈增5698萬戶，總數(shù)達(dá)12.86億戶，移動(dòng)電話用戶普及率達(dá)94.5部/百人，比2014年提高3.7部/百人.報(bào)告稱，全國共有10省市的移動(dòng)電話普及率超過100部/百人，分別為北京、遼寧、上海、江蘇、浙江、福建、廣東、海南、內(nèi)蒙古和寧夏[1].隨著移動(dòng)通信的迅速發(fā)展和生活水平的提高，手機(jī)成了如今最為普及的電子消費(fèi)產(chǎn)品.然而手機(jī)電磁輻射也給人們帶來了困擾，其對(duì)人體健康的影響為人們所關(guān)注，因而，對(duì)移動(dòng)終端電磁輻射性能的測試顯得非常重要，本項(xiàng)目采用較為簡便的方法，簡化手機(jī)電磁輻射的測量方法，對(duì)手機(jī)在不同使用狀態(tài)下的磁感應(yīng)強(qiáng)度值進(jìn)行測量并通過對(duì)測量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，得出相關(guān)的結(jié)論.

2 手機(jī)電磁輻射的界定

電磁輻射對(duì)人體的影響是通過輻射強(qiáng)度和頻率來界定的，在國際上，手機(jī)對(duì)人體輻射的安全標(biāo)準(zhǔn)或電磁輻射暴漏限值是以能量比吸收率SAR（specific absorption rate）這個(gè)指標(biāo)來表征的，目前有兩大主流標(biāo)準(zhǔn)，一個(gè)是ICNIRP標(biāo)準(zhǔn)，國際非電離輻射防護(hù)委員會(huì)（The International Commission for Non-Ionizing Radiation Protection，ICNIRP） 規(guī) 定 的2.0w/kg,另一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)是美國的IEEE（美國電氣和電子工程師協(xié)會(huì)）標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的1.6w/kg[2].我國也制訂了標(biāo)準(zhǔn)，在GB21288－2007標(biāo)準(zhǔn)中明確規(guī)定手機(jī)電磁輻射暴露限值為任意10g生物組織、任意連續(xù)6min平均比吸收率SAR值不得超過2.0w/kg[3].

當(dāng)前國際上所談到的SAR，都是針對(duì)蜂窩式移動(dòng)電話所產(chǎn)生的輻射.目前市面上由正規(guī)渠道購買的手機(jī)，都是根據(jù)SAR標(biāo)準(zhǔn)來設(shè)計(jì)，并經(jīng)過了有關(guān)機(jī)構(gòu)測試，其平均的SAR值大約在0.2w/kg到1.5w/kg之間[4].

3 手機(jī)電磁輻射的測量

3.1 手機(jī)電磁輻射的產(chǎn)生及特點(diǎn)

我們在使用手機(jī)的時(shí)候，手機(jī)通過電磁波與基站時(shí)刻保持著聯(lián)系，手機(jī)通過天線收發(fā)高頻電磁波 (300MHz～300GHz)進(jìn)行信息傳送，實(shí)現(xiàn)與對(duì)方進(jìn)行通話.天線將語音數(shù)字信號(hào)發(fā)送產(chǎn)生的電信號(hào)由內(nèi)部的電路輻射到外部的空間，同時(shí)又從自由空間接收電磁波并轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，從而進(jìn)行信息的傳遞交換.300MHz～300GHz的高頻電磁波的光子能量不足以導(dǎo)致原子和分子電離，只會(huì)產(chǎn)生非電離輻射即生物的“熱效應(yīng)”.

在使用手機(jī)時(shí)，人體和手機(jī)天線產(chǎn)生電磁耦合效應(yīng)，在外電磁場的作用下，人體內(nèi)將產(chǎn)生感應(yīng)電磁場，由于人體各種器官均為有耗介質(zhì)，因此體內(nèi)電磁場將會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流，導(dǎo)致吸收和耗散電磁能量使人體局部組織溫度升高，從而改變?nèi)梭w組織細(xì)胞結(jié)構(gòu)，引起細(xì)胞組織生物反應(yīng)，給人體的健康帶來影響.

3.2 測量原理

3.2.1 能量比吸收率SAR的定義

由于人體各種器官均為有耗介質(zhì)，因此體內(nèi)電磁場將會(huì)產(chǎn)生電流，導(dǎo)致吸收和耗散電磁能量.生物劑量學(xué)中常用SAR來表征這一物理過程.給定密度（ρ）的體積微元（dV）內(nèi)質(zhì)量微元（dm）所吸收（耗損）的能量微元（dW）對(duì)時(shí)間的微分值就是SAR[5].其定義為生物組織單位時(shí)間單位質(zhì)量所吸收電磁波能量:

上式(1)為SAR的表達(dá)式，其單位為W/kg.

在實(shí)際對(duì)SAR測量和計(jì)算過程中，通常是測量局部SAR，其表達(dá)式為：

上式(2)中，E表示人體組織中電場強(qiáng)度，單位V/m;σ表示人體組織的導(dǎo)電率，單位S/m;ρ表示人體組織的密度，單位kg/m3.

3.2.2 測量模型的簡化

比吸收率SAR值的實(shí)際測量和計(jì)算需要用到專業(yè)儀器，其過程復(fù)雜繁瑣.根據(jù)電磁學(xué)理論知識(shí)，可通過測量手機(jī)近場輻射的磁感應(yīng)強(qiáng)度簡化對(duì)比吸收率的測量[4],其原理簡述如下.

在理想介質(zhì)中，由圖1電磁波的傳播方向可知電場E和磁場H與傳播方向ez彼此同相、相互垂直，橫向電場和橫向磁場之比（Ex/Hy）通常被稱為波阻抗η，其表示為：

其中ε為介電常數(shù)，μ為磁導(dǎo)率.因此，電磁波中的電場強(qiáng)度E與磁場強(qiáng)度H有以下關(guān)系:

由本構(gòu)關(guān)系，磁場強(qiáng)度H與磁場感應(yīng)強(qiáng)度B對(duì)于各向同性介質(zhì)有如下關(guān)系:

圖1 電磁波傳播示意圖

人體中不同部位組織液的成分組成及物質(zhì)濃度不同，但在一定范圍內(nèi)(如人腦)的組織液可以將其看成線性各向同性的物質(zhì).再根據(jù)電磁場理論麥克斯韋方程和本構(gòu)關(guān)系，式(3)(4)(5)仍成立，可得E與B成正比.并且，一定范圍內(nèi)(如人腦)的組織液的電介質(zhì)特性和物理特性相同，人體組織的導(dǎo)電率σ和人體組織的密度ρ不變，因此保持不變.

又由式(2)可得SAR∝E2，所以SAR∝B2.因此可通過對(duì)磁感應(yīng)強(qiáng)度B的測量，得到手機(jī)電磁輻射水平的對(duì)應(yīng)關(guān)系，即磁感應(yīng)強(qiáng)度B的測量值越大，對(duì)應(yīng)的SAR值越大，手機(jī)電磁輻射越大.運(yùn)用電磁學(xué)理論和實(shí)驗(yàn)近似觀點(diǎn)簡化了SAR模型，通過測量磁感應(yīng)強(qiáng)度來衡量手機(jī)的電磁輻射水平.

3.3 實(shí)驗(yàn)測量方法

實(shí)驗(yàn)使用臺(tái)灣路昌EMF-827電磁場輻射檢測儀，對(duì)市場上普及度較高的品牌手機(jī)進(jìn)行測量.通過測量手機(jī)在不同狀態(tài)下的磁感應(yīng)強(qiáng)度值，比較分析磁感應(yīng)強(qiáng)度B的相對(duì)大小，根據(jù)測量模型確定不同狀態(tài)下手機(jī)電磁輻射的相對(duì)大小，分析得出電磁輻射的特點(diǎn)和變化規(guī)律.為控制干擾源影響測量精度，選取室外空地進(jìn)行測量，測量環(huán)境周邊無相關(guān)干擾源，手機(jī)信號(hào)強(qiáng)，電量充足.并對(duì)實(shí)驗(yàn)的樣本取得盡可能多，多次測量取平均值，減小測量誤差.

因電磁輻射檢測儀測量探頭產(chǎn)生的相對(duì)移動(dòng)會(huì)對(duì)測量數(shù)值造成跳動(dòng)突變，因此，為保證儀器對(duì)測量結(jié)果的影響，實(shí)驗(yàn)時(shí)將測量探頭固定在手機(jī)的同一部位測量，保證不產(chǎn)生相對(duì)位移.考慮到我們在使用手機(jī)時(shí)手機(jī)與人體接觸的部位，我們選取手機(jī)的聽筒附近作為固定點(diǎn)測量.

圖2 測量環(huán)境及測量位置

圖3 測量示意

4 實(shí)驗(yàn)測量內(nèi)容及分析

4.1 不同型號(hào)手機(jī)電磁輻射的測量

使用電磁輻射檢測儀EMF-827對(duì)現(xiàn)行市場上幾個(gè)品牌手機(jī)進(jìn)行實(shí)測.在關(guān)閉數(shù)據(jù)流量的情況下，對(duì)不同品牌型號(hào)的手機(jī)分別待機(jī)、撥號(hào)、響鈴時(shí)、接通瞬間、正常通話以及被對(duì)方掛斷等情況下測量手機(jī)電磁輻射的磁感應(yīng)強(qiáng)度，將測量探頭靜止放置在測量點(diǎn)處 (如圖3所示)，使用同一張SIM卡撥打同一手機(jī)號(hào)，觀察5次并記錄檢測儀示數(shù)，求得所有測量項(xiàng)目數(shù)據(jù)平均值作為此手機(jī)此狀態(tài)下的磁感應(yīng)強(qiáng)值并將其記錄，得到以下處理后數(shù)據(jù)記錄如表1：

表1 不同型號(hào)手機(jī)磁感應(yīng)強(qiáng)度測量數(shù)據(jù)記錄

從以上測量數(shù)據(jù)，可知：手機(jī)在待機(jī)情況下輻射量最低，在手機(jī)通話接通瞬間其輻射量明顯升高；其次，手機(jī)在通話結(jié)束時(shí)，若你是被掛電話的一方，其被掛機(jī)瞬間產(chǎn)生的輻射量有明顯的升高.

4.2 手機(jī)信號(hào)強(qiáng)弱與電磁輻射的關(guān)系

選取小米3和iphone5s手機(jī)與測量探頭固定在一起，重復(fù)（1）的測量操作分別測量在室外靜止使用和在地下室使用手機(jī)時(shí)手機(jī)磁感應(yīng)強(qiáng)度值，地下室無強(qiáng)大電磁干擾源，重復(fù)5次測量，得到以下處理后數(shù)據(jù)記錄如下表.在地下室測量的過程中，手機(jī)信號(hào)波動(dòng)不穩(wěn)定，因此比較難把握在相同的信號(hào)強(qiáng)度獲取數(shù)值.通過從以上測量數(shù)據(jù)分析，當(dāng)信號(hào)強(qiáng)度變?nèi)鯐r(shí)，會(huì)使得手機(jī)輻射量有明顯的上升，因此，手機(jī)所處環(huán)境信號(hào)的強(qiáng)度變化會(huì)影響手機(jī)的電磁輻射量.

表2 不同環(huán)境下手機(jī)磁感應(yīng)強(qiáng)度測量數(shù)據(jù)記錄

4.3 不同距離下手機(jī)電磁輻射的測量

測量該項(xiàng)內(nèi)容選取小米3和iphone5s作為測量對(duì)象，在手機(jī)待機(jī)情況下將測量探頭固定在距手機(jī)前面板一定距離的地方，使手機(jī)與探頭不發(fā)生相對(duì)移動(dòng)避免影響測量，分別測量在距離手機(jī)前面板 0，0.5，1.0，1.5，2.0，2.5，3.0，3.5，4.0(單位:cm)處手機(jī)磁感應(yīng)強(qiáng)度值，重復(fù)5次測量.通過多次測量取平均值，得到以下處理后數(shù)據(jù)記錄如下表：

表3 不同距離手機(jī)磁感應(yīng)強(qiáng)度測量數(shù)據(jù)記錄

圖4 手機(jī)距離與磁感應(yīng)強(qiáng)度的關(guān)系

通過以上測量分析，發(fā)現(xiàn)手機(jī)產(chǎn)生的電磁輻射量隨距離的增加而降低，此外，不同品牌的手機(jī)，電磁輻射量隨距離的變化趨勢不同.

4.4 測量使用耳機(jī)接聽電話時(shí)手機(jī)電磁輻射

選取小米3和iphone5s手機(jī)，插上耳機(jī)，將測量探頭與耳機(jī)固定在一起，重復(fù)（1）的測量操作，多次重復(fù)測量，得到以下處理后數(shù)據(jù)記錄如下表.

由測量數(shù)據(jù)可得出，使用耳機(jī)接聽的條件下，耳機(jī)產(chǎn)生的輻射量幾乎可以忽略.

4.5 測量使用手機(jī)不同功能情況下電磁輻射

測量該項(xiàng)內(nèi)容選取iphone5s作為測量對(duì)象，并將其與測量探頭固定在一起，使手機(jī)與探頭不發(fā)生相對(duì)移動(dòng)避免影響測量，分別測量使用手機(jī)玩游戲，聽音樂，看視頻，聊天（聯(lián)網(wǎng)條件下聊QQ，非聯(lián)網(wǎng)條件下發(fā)短信）等功能時(shí)，測量手機(jī)磁感應(yīng)強(qiáng)度值，得到數(shù)據(jù)處理后數(shù)據(jù)記錄如下表：

表4 使用耳機(jī)接電話時(shí)手機(jī)磁感應(yīng)強(qiáng)度測量數(shù)據(jù)記錄

表5 測量手機(jī)在使用不同功能狀態(tài)下手機(jī)磁感應(yīng)強(qiáng)度數(shù)據(jù)記錄

從以上所得數(shù)據(jù)分析，手機(jī)在接入網(wǎng)絡(luò)的情況下使用手機(jī)功能所產(chǎn)生的輻射量大于非聯(lián)網(wǎng)情況下產(chǎn)生的輻射量（發(fā)送短信也需要接入網(wǎng)絡(luò)）.

5 結(jié)論

根據(jù)本次測量研究，結(jié)合測量結(jié)果，得到以下幾點(diǎn)結(jié)論：

1.在撥號(hào)到接通的過程中，撥號(hào)接入和接通瞬間產(chǎn)生的輻射量較大，因此建議在撥號(hào)過程中，等到對(duì)方應(yīng)答的情況下再將手機(jī)放在耳旁接聽，可以有效的減輕電磁輻射的影響.同時(shí)建議在通話完成后立即將手機(jī)撤離耳旁，此時(shí)即使掛與被掛產(chǎn)生的輻射量對(duì)人體的影響也將會(huì)減小.

針對(duì)撥號(hào)到接通這一過程輻射量大這一點(diǎn)，手機(jī)制造商也作出了相應(yīng)的對(duì)策，現(xiàn)在的絕大部分品牌智能手機(jī)都具有接通振動(dòng)的功能，因此可以有效的利用這一小功能換取大健康.

2.手機(jī)信號(hào)強(qiáng)度也會(huì)對(duì)手機(jī)的輻射量造成影響.當(dāng)手機(jī)信號(hào)強(qiáng)度變?nèi)鯐r(shí)，盡量不要使用手機(jī)進(jìn)行通話，或者選擇信號(hào)相對(duì)強(qiáng)的區(qū)域撥號(hào)通訊.

3.由表3和表4數(shù)據(jù)分析，在不同距離下產(chǎn)生的輻射量隨距離的增大而減小，而且，使用耳機(jī)接聽所產(chǎn)生的輻射量遠(yuǎn)比直接使用手機(jī)接聽的要小.因此，為降低輻射量對(duì)人體的影響，建議盡可能地使用耳機(jī)接聽.

4.在使用手機(jī)應(yīng)用時(shí)，發(fā)現(xiàn)需聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用產(chǎn)生的輻射量比較大，由此建議不要長時(shí)間在聯(lián)網(wǎng)情況下使用手機(jī)，在使用時(shí)盡量保持與手機(jī)的距離在30cm以上，有利于健康.

〔1〕中華人民共和國工業(yè)和信息化部.2014年通信運(yùn)營業(yè)統(tǒng)計(jì)公報(bào) [R/OL].2015.1.20 http://www.m iit.gov.cn/n11293472/n11293832/n11294132/n12858447/16414615.htm l.

〔2〕雷俊陶.一種簡便的手機(jī)輻射測試方法[J].信息通信,2014（2）:1-2.

〔3〕GB 21288-2007,移動(dòng)電話電磁輻射局部暴露限值[S].，2003.

〔4〕羊勇，楊嘉，楊玉琦.手機(jī)電磁輻射研究[J].大學(xué)物理,2013,32(1)：42-45.

〔5〕林浩.比吸收率(SAR)測量值的比對(duì)評(píng)估[J].現(xiàn)代電信科技,2012（3）:43-47.

〔6〕Dipak.Sengupta,Valdis V.Liepa.應(yīng)用電磁學(xué)與電磁兼容[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009.