服裝結構及假人模型對電磁輻射防護服屏蔽效能的影響

2020-03-10 08:32:38王秋寒王亞靜董科萍

紡織學報 2020年1期

王秋寒，王亞靜，董科萍，肖紅,4

(1. 武漢紡織大學服裝學院，湖北武漢 430073； 2. 北京吉克防護科技有限公司，北京 100124；3. 東華大學紡織學院，上海 201620； 4. 軍事科學院系統工程研究院軍需工程技術研究所，北京 100010)

電磁波對人體具有熱效應、非熱效應、積累效應等，當人體長時間暴露在超過電磁輻射暴露限值的環境時，會受到一定傷害[1]。目前，人們普遍采用穿著電磁輻射防護服的方式屏蔽電磁波，而防護服的屏蔽效能受到服裝款式及測試方法的影響。

已有諸多文獻[2-3]從模擬服裝結構的角度出發，報導了不同面料、不同層次、縫隙尺寸、孔洞面積以及暴露面積，如領口、袖口、門襟、下擺大小等因素對電磁輻射防護服屏蔽效能的影響；也有學者從測試的角度出發，探究了服裝與輻射源之間的距離[4]、接收探頭放置在屏蔽服內不同位置[5-6]等對服裝屏蔽效能測試的影響。前述研究多是采用屏蔽面料模擬真實服裝，或者在研究服裝結構的影響時側重于開口、門襟的大小帶來的影響，并沒有從實際穿著使用的服裝款式角度切入。而不同結構款式的服裝直接穿在假人上的屏蔽效能研究，才是最符合實際實用情況的。

從測試角度看，由于目前多數假人模型的內部是中空結構，人體模型穿著反射電磁波型屏蔽材料的電磁輻射防護服后，密閉的服裝會形成金屬諧振腔，導致通過防護服進入到模型內部的部分電磁波形成多次反射，使測試獲得的屏蔽效能有所降低，影響測量結果的真實性和穩定性[7]。

為探究相同電磁屏蔽織物制備的不同結構款式服裝的屏蔽效能及其影響因素，本文采用表面鍍覆銅鎳的電磁屏蔽面料，分別制備了4種不同款式的防護服裝；在半電波暗室，采用著裝假人法，對屏蔽效能進行測試，探究不同款式、不同測試部位、接縫縫隙、結構開口、假人內部是否填充吸波材料、電磁波極化方向等要素對電磁輻射防護服屏蔽性能的影響。

1 實驗部分

1.1 實驗樣品

4件不同款式的電磁輻射防護服，均為3層結構設計。其中：里層和外層分別為圣華盾防護科技股份有限公司的滌綸面料和普通滌/棉面料；中間層為電磁輻射防護層，采用濟南麗絲特纖維有限公司的JS-260鍍銅鎳的屏蔽面料。各層材料規格及性能如表1所示。

表1 電磁輻射防護服各層織物參數Tab.1 Fabric parameters of electromagnetic protective clothing

4種不同款式防護服的結構特點如下。1)馬甲：V型領口，樹脂拉鏈開口，無門襟；2)大褂：立領，紐扣式暗門襟，門襟寬6 cm，袖口處有塑料粘扣帶；3)分體服：上衣立領，樹脂拉鏈開口，門襟寬6 cm；褲子采用樹脂拉鏈開口，褲門襟寬3.5 cm；上衣門襟和袖口、褲腳處有塑料粘扣帶；4)連體服：包括面罩、鞋套、手套、連體服裝、立領，采用樹脂拉鏈開口(從領口直到下腹部)，門襟寬6 cm，門襟里側、袖口、褲腳、鞋套、手套均有塑料粘扣帶。

1.2 屏蔽效能測試及計算

基于對2～18 GHz頻段軍用電磁輻射防護服的研究，屏蔽效能測試參考GB/T 23463—2009《防護服裝微波輻射防護服》，具體測試步驟如下。

1)儀器設備連接。將發射天線寬帶雙脊喇叭天線(1～18 GHz)、接收天線迷你型雙脊喇叭天線(2.5～18 GHz)、E5071C型矢量網絡分析儀(300 kHz～20 GHz)、DR AP118型微波放大器用電纜連接。

2)測試系統調節。發射天線與接收天線中心在同一水平面上，口徑面保持平行。二者的極化方向保持一致，同時為垂直極化或水平極化，二者的間距設置為1.5 m。

3)儀器接通。接通矢量網絡分析儀，預熱15 min，同時打開微波放大器。

4)參數設置。打開屏蔽效能測試軟件，根據測試需求設置好相關參數。

5)屏蔽效能測試。在實驗一開始以及更換測試部位之后，先進行基準測試，即在加載功率的條件下測試未穿著防護服時的電場強度E0，確認校準無誤后，再測試穿著電磁輻射防護服時的電場強度E1，通過屏蔽效能計算公式計算出電磁輻射防護服的屏蔽效能，每個部位測3次，結果取平均值。

式中：SE為屏蔽效能，dB；E0為未穿著電磁輻射防護服時的電場強度，V/m；E1為穿著電磁輻射防護服時的電場強度，V/m。

利用著裝假人法對電磁輻射防護服進行屏蔽效能測試時對應的測試現場和測試部位如圖1、2所示。

6)填充吸波材料。為了驗證填充吸波材料的人體模型對電磁輻射防護服屏蔽效能測試的影響，在人體模型內置喇叭天線的后部位置，包括頭部、胸部、下腹部填充吸波材料。使用的吸波材料厚度為1 cm，在1～50 GHz范圍內的反射衰減如表2所示。

表2 吸波材料在1～50 GHz范圍內的反射損耗Tab.2 Reflection loss of absorbing materials in range of 1-50 GHz

2 結果與分析

2.1 服裝結構對防護服屏蔽效能的影響

按照1.2節所述測試步驟，測試4件不同款式防護服胸部和下腹部的屏蔽效能。測試時防護服要盡可能與人體模型服貼。其中馬甲由于尺寸較短，只測試胸部。測試結果如圖3、4所示。

為更直觀地對比不同款式服裝同一測試部位的屏蔽效能，對其進行測試，結果見表3。

從胸部的測試數據可知，無論假人模型是否填充吸波材料，不同服裝款式防護服的胸部屏蔽效能由低到高依次為馬甲、分體服、大褂、連體服。比較填充吸波材料后的數據，可知馬甲的屏蔽效能最低，在23 dB左右。主要是因為該款式的暴露面積較大，并且粘扣帶拉鏈開口處無門襟，導致電磁波會從拉鏈開口、領口、袖口等位置泄露。由于整套連體服在測試時帶有面罩，且覆蓋胸部位置，相當于胸部有兩層屏蔽面料，導致連體服胸部的屏蔽效能可達41 dB，為最高。而分體服分為上、下兩個部分，上衣下擺開口位置相對大褂下擺處距離胸部的位置更近，且分體服上衣款式寬松、未采用三緊款式，使更多電磁波泄露，導致分體服胸部的屏蔽效能低于大褂。

表3 不同款式服裝同一測試部位的屏蔽效能平均值
Tab.3 Average shielding efficiency of same testing site fordifferent garment styles

測試部位服裝款式屏蔽效能/dB未填充吸波材料填充吸波材料胸部馬甲 1423大褂 2837分體服2631連體服3141下腹部大褂 3035分體服3039連體服1514頭部連體服2827

對于下腹部而言，大褂和分體服的屏蔽效能接近，而連體服下腹部無論有無填充吸波材料，屏蔽效能都很低。主要是由于連體服的服裝制作工藝造成的，其下腹部有樹脂拉鏈開口和3.5 cm門襟結構，門襟寬度較窄，且拉鏈開口下方中間層屏蔽面料沒有完全縫合在一起。

2.2 填充吸波材料后對屏蔽效能的影響

從圖3、4和表3可知，人體模型填充吸波材料后，除了連體服的下腹部和頭部，其余測試部位屏蔽效能均提升5～10 dB。人體模型填充了吸波材料后，可吸收從防護服透射進入到腔體內部的電磁波，減少電磁波在防護服形成的金屬諧振腔體內部的多次反射，從而使測試的屏蔽效能有所提升，這也非常符合實際使用情況。人體穿著電磁輻射防護服的目的是減少電磁波進入人體內部，且人體內部的組織液是良好的吸波體。一方面不希望電磁波透過防護服進入到人體，另一方面進入到人體的微量電磁波會被人體組織液吸收。這些實際情況，可有效避免采用未填充吸波材料假人模型測試時，形成的金屬空腔導致多次反射。

連體服下腹部無論是有無填充吸波材料，屏蔽效能都很低，是由于服裝制作工藝造成。連體服下腹部的拉鏈開口和前中縫接縫縫隙。連體服頭部空間有限，填充的吸波材料較少，對測試結果基本起不到影響，至于填充吸波材料后屏蔽效能下降1 dB，屬于系統誤差。

在測試電磁輻射防護服的屏蔽效能時，所有曲線均會出現波動現象，這和金屬諧振腔有著密不可分的關系。防護服屏蔽材料由導電織物制成，人體模型在穿著防護服后，由于內部是空腔結構，會和服裝形成類金屬殼體、且形狀非常不規則。電磁波從防護服透射進入腔體后，必然會引起諧振效應。規則的金屬腔體存在固定的諧振頻率，但對于人體模型和防護服組成的不規則腔體而言，諧振頻率是十分豐富的，所以經?？煽吹狡帘涡艿臏y試結果曲線呈波動現象，變動較大[8]。

2.3 測試部位對防護服屏蔽效能的影響

為探究同款服裝不同部位所對應的屏蔽效能，對大褂、分體服、連體服胸部和下腹部分別進行測試，測得曲線如圖5、6所示，具體數據見表3。

大褂的整體屏蔽效能較好，胸部和下腹部的屏蔽效能相近，分別為37 dB和35 dB。分體服胸部和下腹部的屏蔽效能差異明顯，分別為31 dB和39 dB，是因為在下腹部處與上衣和下衣有重疊，相當于增加了服裝層次。對于連體服：其胸部的屏蔽效能最好，41 dB左右，原因和分體服類似，面罩的面積較大，能很好地覆蓋住胸部，即胸部有2層屏蔽面料；下腹部的屏蔽效能最低為14 dB，這主要是由于下腹部正前方為了方便穿脫，有拉鏈開口和門襟。當在開口處貼屏蔽面料條時，下腹部的屏蔽效能會大幅度提升。

2.4 服裝接縫對防護服屏蔽效能的影響

除了開口，接縫縫隙也是影響電磁輻射防護服屏蔽效能的因素之一。對連體服的胸部和下腹部的縫隙處做處理，如圖7所示。將制作防護服時使用的屏蔽面料裁剪成10 cm寬的長條，粘貼到下腹部的門襟及拉鏈處，進行對比測試。結果如圖8所示。

在縫隙處貼70 cm×10 cm長條對連體服下腹部的屏蔽效能影響較大，其下腹部的屏蔽效能由14 dB提升到了30 dB。對于胸部而言，由于面罩的存在已經遮擋住了胸部處的縫隙，所以在貼了70 cm×10 cm的長條后，測試結果和未貼時并無多大差異，均在41 dB左右。當用長條將連體服所有縫隙處貼滿時，相比與貼1片長條的做法，無論是下腹部還是胸部，屏蔽效能的提升都很有限，在1 dB左右，在測試系統誤差范圍內?？梢?，服裝制作過程中的接縫對屏蔽效能影響顯著。

2.5 服裝開口對防護服屏蔽效能的影響

服裝的開口結構，如袖口、領口等，會在一定程度上影響電磁輻射防護服的屏蔽性能。為探究連體服胸部和下腹部在不同服裝配件條件下的屏蔽效能，將連體服的面罩、頭套及鞋套分別去掉后，穿在填充了吸波材料的人體模型上進行測試，結果如圖9所示。其中，去面罩指的是除了面罩，手套和鞋套都保留；無配件指的是去掉整套連體服的面罩、手套和鞋套，并松開手套、鞋套以及領口處的粘扣帶。

可發現，本文設計的連體服，其服裝開口對屏蔽效能的影響幾乎可忽略不計。對于下腹部，在有無服裝配件時測試結果的曲線幾乎重疊。對于胸部，在全套連體服時屏蔽效能最高，為41 dB；僅去除面罩時屏蔽效能降為33 dB，這主要與服裝層次有關，前文已有闡述。當去除所有服裝配件并將所有粘扣帶松開時，測得胸部的屏蔽效能仍然在33 dB左右。所以想要提高服裝的屏蔽性能，還是需要從服裝的制作工藝上改進。服裝開口(領口、袖口、褲腿口、拉鏈處)可以用粘扣帶處理，相比于佩戴服裝配件而言，工作人員的操作可以更加靈活。

2.6 電場極化方式對防護服屏蔽效能影響

垂直極化和水平極化狀態下的測試結果如圖10所示?？芍瑹o論是胸部還是下腹部，大褂在垂直極化狀態下的屏蔽效能均優于水平極化狀態。胸部在垂直極化狀態下，屏蔽效能為30 dB左右，在水平極化時為26 dB。下腹部在垂直極化狀態時約為29 dB，在水平極化時為25 dB左右。雖然制作大褂所使用的屏蔽面料為各向同性，但在做成服裝后，由于接縫縫隙多為垂直方向等因素的影響，防護服在電磁波垂直極化狀態和水平極化狀態依然會存在差異。程慧斌[9]和孫麗芳等[10]用仿真的手段探究了縫隙對屏蔽效能的影響，得出的結論是當電場極化方向與開縫垂直時最容易發生電磁泄露，與本實驗結果一致。發生電磁泄露的原因是防護服上的開縫會切斷感應電流從而降低了對電場的屏蔽效果，所以應同時測試垂直極化和水平極化條件下防護服的屏蔽效能。