吳雄英，張亞雯，袁志磊

(1.上海出入境檢驗檢疫局，上海 200135；2.東華大學(xué) 紡織學(xué)院，上海 201620)

紡織品電磁屏蔽效能評價標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)狀分析

吳雄英1，張亞雯2，袁志磊1

(1.上海出入境檢驗檢疫局，上海 200135；2.東華大學(xué) 紡織學(xué)院，上海 201620)

有效地檢測和評價防電磁輻射紡織品是產(chǎn)品開發(fā)和應(yīng)用的關(guān)鍵，通過介紹防電磁輻射紡織品的電磁屏蔽原理及屏蔽效能評價方法的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢，比較分析防電磁輻射紡織品標(biāo)準(zhǔn)的評價指標(biāo)、測試方法等，探討了我國現(xiàn)有民用防電磁輻射標(biāo)準(zhǔn)和測試方法存在的問題。指出應(yīng)不斷完善防電磁輻射紡織品的標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)一步明確民用防電磁輻射服裝需達(dá)到的屏蔽效能要求，并根據(jù)服裝的結(jié)構(gòu)特點建立合適的防電磁輻射性能綜合評價方法，為防電磁輻射紡織品的開發(fā)、市場監(jiān)管提供合理的檢測和評價依據(jù)。

紡織品；防電磁輻射；屏蔽效能；評價方法；標(biāo)準(zhǔn)

不斷涌現(xiàn)的電子產(chǎn)品在給我們的生活帶來便利的同時，其產(chǎn)生的不同頻率的電磁波也對人們的健康產(chǎn)生了一定的影響。為減少電磁輻射污染，在規(guī)范屏蔽輻射源的同時，個體防護(hù)也越來越多的受到人們的關(guān)注。防電磁輻射紡織品不僅可滿足人們?nèi)粘Ｉ畹男枰?，還可減少電磁輻射對人體的潛在影響，起到防護(hù)作用[1]。防電磁輻射紡織品的種類有纖維材料、平面織物及防輻射服裝[2]。目前，市場上常見的防輻射服裝產(chǎn)品主要有防輻射工作裝、孕婦裝、內(nèi)衣、馬甲、圍裙等[3]。

1 電磁屏蔽原理及效能表征

1.1 電磁屏蔽原理

電磁波入射到達(dá)屏蔽材料表面時，產(chǎn)生反射、吸收和在屏蔽體內(nèi)的多次反射，導(dǎo)致電磁波的能量損耗，從而起到屏蔽作用[4-5]。電磁波在屏蔽材料中傳播過程如圖1所示。

圖1 電磁屏蔽原理Fig.1 Electromagnetic shielding principle

通常屏蔽材料的電磁屏蔽效果用屏蔽效能(SSE)來表示，單位為dB。根據(jù)Schelkunoff電磁屏蔽理論[6]，屏蔽材料的總屏蔽效果可按下式計算：

(1)

式中：SSE為電磁屏蔽效能；R為反射衰減；A為吸收衰減；B為內(nèi)部多次反射衰減。

1.2 電磁屏蔽效能的表征

防電磁輻射材料的屏蔽效能是指沒有屏蔽材料時入射或反射電磁波與有屏蔽材料時反射或透射的電磁波的比值[7]。目前常用的計算屏蔽效能方法有2種[8-9]：

1)美國材料試驗協(xié)會標(biāo)準(zhǔn)ASTM D4935—2010《測量平面材料的電磷屏蔽效應(yīng)的試驗方法》的規(guī)定，SSE可表示為

(2)

式中：P1為有平面屏蔽材料時接收到的功率，W；P2為無平面屏蔽材料時接收到的功率，W；V1為有平面屏蔽材料時接收到的電壓，V；V2為無平面屏蔽材料時接收到的電壓，V。

此方法適用于平面波入射情況下的平面材料的屏蔽效能值計算,測試的頻段范圍為30 MHz～1.5 GHz。

2)美國電氣和電子工程師協(xié)會標(biāo)準(zhǔn)IEEE-299—2006《測量電磁屏蔽殼有效性的方法》的規(guī)定，在50 Hz～20 MHz的頻段范圍內(nèi)，SSE可表示為：

(3)

式中：H1為沒有屏蔽材料時測得的磁場強(qiáng),A/m；H2為有屏蔽材料時測得的磁場強(qiáng),A/m；V1為沒有屏蔽材料時接收到的電壓，V；V2為有屏蔽材料時接收到的電壓,V。

在20 MHz～300 MHz頻段內(nèi)，SSE表示為：

(4)

式中：E1為沒有屏蔽材料時測得的場強(qiáng)，V/m；E2為有屏蔽材料時測得的場強(qiáng)，V/m；P1為沒有屏蔽材料時接收到的功率,dB；P2為有屏蔽材料時接收到的功率,dB。

第二天一早，甲洛洛就找到了老鄧，把昨夜的情況一五一十的給老鄧做了交代。老鄧是在床上聽甲洛洛匯報的，讓老鄧最滿意的就是讓他不要說出是誰給他提供的消息。

300 MHz ～10 GHz頻段內(nèi)，SSE的計算方法可采用式(4)或SSE表示為：

(5)

式中：P1、P2分別為無屏蔽材料、有屏蔽材料時測得的功率密度，單位為W/m2，該式適用于非線性計算。

2 屏蔽效能評價方法

2.1 屏蔽效能評價方法分類

國內(nèi)外關(guān)于屏蔽效能的評價方法有遠(yuǎn)場法、近場法和屏蔽室法3類[10]。

2.1.1 遠(yuǎn)場法

遠(yuǎn)場法主要用于測試防電磁輻射產(chǎn)品對電磁波遠(yuǎn)場(平面波)的屏蔽效能，美國國家材料實驗協(xié)會標(biāo)準(zhǔn)ASTM ES—1983《平面材料電磁屏蔽效能的測試方法》采用了同軸傳輸線法，我國行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)GJB 6190—2008《電磁屏蔽材料屏蔽效能測量方法》、QJ 2809—1996《平面材料屏蔽效能測量方法》和SJ 20524—1995《材料屏蔽效能的測量方法》等標(biāo)準(zhǔn)均采用了法蘭同軸法[11]。

2.1.1.1 同軸傳輸線法 同軸傳輸線法原理圖如圖2所示。該方法根據(jù)電磁在同軸傳輸線內(nèi)傳播的主模是橫電磁波的原理，模擬自由空間遠(yuǎn)場的傳輸過程，對防電磁輻射織物進(jìn)行平面波的測定[12]。

圖2 ASTM-ES-7同軸傳輸線原理圖Fig.2 Schematic diagram of ASTM-ES-7 coaxial transmission line

該方法簡便快速，測試過程中能量損失小，測試的動態(tài)范圍較寬，無需建立昂貴的屏蔽室及其他輔助設(shè)備；適用頻率范圍為30 MHz～1.5 GHz，材料厚度可達(dá)10 mm[13-14]。

2.1.1.2 法蘭同軸法 該方法的原理同ASTM-ES-7同軸傳輸線法相似，在上述方法基礎(chǔ)上改進(jìn)了樣品與同軸線的連接，使其接觸阻抗更小，極大地改善了測試結(jié)果的重現(xiàn)性[15]。該方法要求材料的厚度不大于5 mm。

2.1.2 近場法

近場法用來測試在電磁波近場下平面織物的屏蔽效能，主要采用ASTM-ES-7雙盒法[16]。 其測試裝置如圖3所示。

注：1—連接部件；2—連接部件；3—發(fā)射天線；4—接收天線；5—樣片；6—指型彈簧支撐片。圖3 ASTM-ES-7雙盒法測試示意圖Fig.3 Schematic diagram of ASTM-ES-7 double box method

雙盒由2個金屬盒組成，屏蔽盒的每個腔體分別安裝1個小天線用來發(fā)射和接收輻射功率。其工作原理是測量有無試樣時天線接收的功率，由式(2)計算出試樣的屏蔽效能[17-18]。該方法適用的頻率范圍為 1～30 MHz，要求試樣的厚度不大于4 mm。

2.1.3 屏蔽室法

圖4 屏蔽室法測試示意圖Fig.4 Schematic diagram of shielding chamber method

2.2 電磁屏蔽效能評價方法的發(fā)展

遠(yuǎn)場法和近場法適用于平面材料防電磁輻射性能的測試，但防輻射服是多孔材料，縫制后存在開口和縫隙等，且在穿著的過程中為三維曲面體，其防電磁輻射性能與平面織物存在較大的差異[22]，因此，上述2種方法不一定適合防電磁輻射服裝的屏蔽效能測試。目前關(guān)于防電磁輻射服裝的屏蔽效能測試方法主要有：著裝假人法、開窗法、GTEM小室法。

2.2.1 著裝假人法

著裝假人法是將防電磁輻射服裝穿在假人體上，該假人體上設(shè)計有密集的孔洞，在孔洞中嵌入輻射波微型接收器，在屏蔽室內(nèi)規(guī)定的方向和距離向假人發(fā)射電磁波，透過防電磁輻射服裝傳輸?shù)轿⑿徒邮掌魃?，微型接收器將接收到的電磁波信號傳輸?shù)诫娔X上，通過軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理分析，計算出人體穿著電磁防輻射服時各個關(guān)鍵部位的屏蔽效能[23]。該方法使研究電磁波對人體的傷害更加符合實際環(huán)境，可研究電磁波在人體著裝下的不同部位的分布傳導(dǎo)規(guī)律。但由于人體模型的姿勢較為固定，測試條件受到限制。其結(jié)構(gòu)示意圖如圖5所示。

注：1—微型接收器；2—底座；3—中空支撐桿；4—導(dǎo)線；5—導(dǎo)線束；6—空腔人臺。圖5 著裝假人結(jié)構(gòu)示意圖Fig.5 Dress dummy structure diagram

2.2.2 開窗法

開窗法的原理是在屏蔽室的內(nèi)部中間位置設(shè)置1個屏蔽墻，在墻上開設(shè)1個600 mm×600 mm大小的測試窗，調(diào)整好信號源的工作頻率和發(fā)射功率后，打開測試窗，測得空白場強(qiáng)E1[24]。然后，將屏蔽試樣放在測試窗處，測得有屏蔽試樣后的衰減場強(qiáng)E2，根據(jù)式(4)計算出屏蔽效能。其測試系統(tǒng)如圖6所示。

圖6 開窗法測試系統(tǒng)圖Fig.6 Schematic diagram of window method

開窗法是在屏蔽室的基礎(chǔ)上建立的，該方法不僅可在同一實驗條件下評估織物和服裝的屏蔽效能，研究織物和服裝的屏蔽效能之間的關(guān)系，而且還可對不同款式、不同開口大小的服裝進(jìn)行測試。該方法測試頻率范圍大，適用于防電磁輻射服裝的屏蔽效能評價，但測試窗口的尺寸大小、位置、窗口漏磁等對實驗結(jié)果造成的誤差較大，測試系統(tǒng)有待改進(jìn)。

2.2.3 GTEM小室法

GTEM(gigahertz transverse electromagnetic)小室根據(jù)同軸及非對稱矩形傳輸線原理設(shè)計而成,小室的后端面貼有吸波材料。測試時將穿著防電磁輻射服裝的假人放置在GTEM小室內(nèi)，通過信號源由 GTEM小室的前端發(fā)射信號，安裝在假人體內(nèi)的天線接收信號，通過頻率分析儀來測量人體模型有無穿著防輻射服時的電場強(qiáng)度，計算得到服裝的屏蔽效能[25]。測試裝置如圖7所示。

圖7 GTEM小室法測試示意圖Fig.7 Schematic diagram of GTEM cell method

該方法的儀器配置簡單，測試系統(tǒng)便宜，只需要較小的輸入功率就能產(chǎn)生相同的場強(qiáng)進(jìn)行實驗。GTEM小室法的測試頻率為幾十kHz到20 GHz，不僅適用于日常生活中的電磁輻射環(huán)境要求，還能滿足特殊場所的高頻電磁輻射環(huán)境的測試要求，但GTEM小室的場強(qiáng)均勻性有限，對人體模型的尺寸有一定的限制。

3 防電磁輻射評價標(biāo)準(zhǔn)及問題探討

我國對防電磁輻射的評價方法開展了研究并制定了一系列的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)和試驗方法標(biāo)準(zhǔn)，截至目前，國內(nèi)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。

我國現(xiàn)有防電磁輻射紡織品標(biāo)準(zhǔn)和測試方法在以下方面需要商榷。

1)關(guān)于防電磁輻射織物標(biāo)準(zhǔn)的適用范圍不夠全面。我國針對防電磁輻射織物的評價標(biāo)準(zhǔn)有GB/T 26383—2011《抗電磁輻射精梳毛織品》、GB/T 23326—2009《不銹鋼纖維與棉滌混紡電磁波屏蔽本色布》和GB/T 22583—2009《防輻射針織品》。GB/T 26383—2011《抗電磁輻射精梳毛織品》僅適用于純毛、毛混紡和交織及仿毛化纖防電磁輻射機(jī)織產(chǎn)品，不適用于針織產(chǎn)品和除毛及仿毛化纖以外的產(chǎn)品。GB/T 23326—2009《不銹鋼纖維與棉滌混紡電磁波屏蔽本色布》僅適用于不銹鋼纖維與棉、滌綸、棉滌混紡的民用電磁波屏蔽的本色布，GB/T 22583—2009《防輻射針織品》僅適用于添加金屬纖維的針織面料或針織服裝，因此，針對不同的纖維材料以及不同的防電磁輻射后整理，應(yīng)制定通用的防電磁輻射織物測試方法以及相應(yīng)的評價指標(biāo)，使我國防電磁輻射織物的評價標(biāo)準(zhǔn)體系進(jìn)一步完善。

2)我國針對防電磁輻射服裝的評價標(biāo)準(zhǔn)大都采用法蘭同軸法，沒有考慮到服裝的縫隙、開口等影響因素。例如GB/T 22583—2009《防輻射針織品》采用的測試方法為SJ 20524—1995《材料屏蔽效能的測量方法》中的法蘭同軸法，通過測量織物的屏蔽效能來評價針織服裝的屏蔽效能。GB/T 23463—2009《防護(hù)服裝 微波輻射防護(hù)服》中規(guī)定電磁波頻率在0.3～1.5 GHz范圍內(nèi)，采用QJ 2809—1996《平面材料屏蔽效能測量方法》中的法蘭同軸測試方法,在1.5～300 GHz范圍內(nèi)采用GB/T 12190—2006《電磁屏蔽室屏蔽效能的測量方法》的屏蔽室假人法。防電磁輻射織物是二維平面，服裝是三維立體，服裝的屏蔽效能不僅與織物的屏蔽效能有關(guān)，還受其結(jié)構(gòu)的影響，如開縫、開口等會明顯破壞和影響服裝整體的屏蔽效能[26-27]，因此，防輻射服裝的屏蔽效能并不等于防電磁輻射織物的屏蔽效能，一般來說，防輻射服裝的實際屏蔽效能低于防電磁輻射織物的屏蔽效能[28]。另外，即使是在同一件服裝的不同部位所產(chǎn)生的電磁屏蔽效果也不一樣，因此，服裝的屏蔽效能是相對的變量，制定有關(guān)評價防電磁輻射服裝屏蔽效能的標(biāo)準(zhǔn)和測試方法時，應(yīng)綜合考慮服裝的款式、測試部位等影響因素。

表1 防電磁輻射性能評價標(biāo)準(zhǔn)Tab.1 Evaluation standard of anti-electromagnetic radiation performance

3)民用防電磁輻射服裝的屏蔽效能要求需進(jìn)一步明確。GB/T 22583—2009《防輻射針織品》規(guī)定面料的屏蔽率應(yīng)在95%以上，而由于服裝存在開口、縫隙，面料的屏蔽效能并不能代表服裝的整體屏蔽效能。GB/T 23463—2009《防護(hù)服裝 微波輻射防護(hù)服》根據(jù)屏蔽效能值將服裝的防護(hù)等級分為A、B、C 3個等級，但沒有明確指出3種不同的防護(hù)等級分別適用的場合及電磁環(huán)境。GB 6568.1—2000《帶電作業(yè)用屏蔽服裝》規(guī)定了高壓帶電作業(yè)用屏蔽服的屏蔽效應(yīng)能達(dá)40 dB以上，但沒有規(guī)定民用防電磁輻射服裝的屏蔽效能要求，此外，我國軍用標(biāo)準(zhǔn)GJB 5313—2004《電磁輻射暴露限值和測量方法》和國家標(biāo)準(zhǔn)GB 8702—2014《電磁環(huán)境控制限值》中規(guī)定了特種作業(yè)和軍事區(qū)域環(huán)境中電磁場場量的限量值，但沒有一般民用區(qū)域中的相關(guān)規(guī)定以及電磁輻射防護(hù)服的相關(guān)要求，而美國標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了在雷達(dá)、發(fā)射臺等特殊高輻射場合要求防護(hù)服的屏蔽效能在60 dB以上，一般家用電器如電腦、微波爐等防護(hù)服的屏蔽效能達(dá)15 dB即可[28-29]，我國國內(nèi)市場上各種防電磁輻射服裝的質(zhì)量良莠不齊，明確民用防輻射服的屏蔽效能要求不僅有利于防電磁輻射紡織品的監(jiān)管，還有利于消費者根據(jù)自身的需要選購不同防護(hù)等級的產(chǎn)品。

4)依據(jù)實際使用環(huán)境，需分類建立防電磁輻射紡織品測試方法和評價指標(biāo)。不同的工作和生活環(huán)境，所受到的電磁波頻段范圍也不同。例如日常生活接觸到的電子設(shè)備和家用電器，頻率大約在30～3 000 MHz[30]；微波爐、衛(wèi)星通信、移動通信發(fā)射機(jī)、雷達(dá)等設(shè)備產(chǎn)生的頻率大約為300 MHz～100 GHz，防電磁輻射紡織品的用途包括工業(yè)防護(hù)服、孕婦服、工業(yè)包扎材料、軍用防雷達(dá)遮障布等，這些產(chǎn)品所適用的測試方法也不相同，因此，應(yīng)依據(jù)實際用途和使用環(huán)境，對防電磁輻射紡織品進(jìn)行分類并建立合適的測試方法和評價指標(biāo)。

4 結(jié) 論

目前國內(nèi)外防電磁輻射紡織品屏蔽效能測試方法主要有遠(yuǎn)場法、近場法和屏蔽室法。遠(yuǎn)場法、近場法主要適用于平面織物的測試，而服裝由于存在縫隙、開口、款式等因素，其與織物屏蔽效能存在一定的差異，因此，評價服裝的防電磁輻射性能更適合采用屏蔽室假人法。

我國現(xiàn)有的民用防電磁輻射紡織品標(biāo)準(zhǔn)還存在適用范圍不全面，測試方法不科學(xué)，民用防護(hù)服的屏蔽效能要求不明確等問題。所以，有必要進(jìn)一步完善我國的民用防電磁輻射紡織品的標(biāo)準(zhǔn)，明確民用電磁輻射防護(hù)服的屏蔽效能要求并依據(jù)用途和使用環(huán)境，建立合適的評價方法。

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Situation analysis of evaluation standard for measuring shielding effectiveness of anti-electromagnetic radiation textiles

WU Xiongying1，ZHANG Yawen2，YUAN Zhilei1

(1.ShanghaiEntry-ExitInspectionandQuarantineBureau,Shanghai200135,China;2.CollegeofTextiles,DonghuaUniversity,Shanghai201620,China)

Effective testing and evaluation for anti-electromagnetic radiation textiles is the key of products，development and application.This paper introduced the electromagnetic shielding principle of anti-electromagnetic radiation textiles and the development status of evaluation methods for measuring shielding effectiveness.It analyzed the test method of anti-electromagnetic radiation textiles standards.The problems of current standards and test methods of civil electromagnetic shielding textiles were discussed.The author pointed that professionals should improve the standards of electromagnetic shielding textiles.Besides,professionals should make clear the requirement of shielding effectiveness for civil anti-electromagnetic radiation clothing.In addition,comprehensive evaluation method of anti-electromagnetic radiation performance should be established based on the features of clothing structure.These will provide reasonable testing and evaluation basis for anti-electromagnetic radiation textiles，production guidance and market supervision.

textile; anti-electromagnetic radiation; shielding effectiveness; evaluation method; standard

10.13475/j.fzxb.20151101007

2015-07-03

2015-11-09

吳雄英(1964—)，男，研究員，博士。研究方向為紡織品檢測技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)。E-mail: wuxy@shciq.gov.cn。

TS 107

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