王秋寒， 王亞靜， 董科萍， 肖 紅,4

(1. 武漢紡織大學(xué) 服裝學(xué)院， 湖北 武漢 430073； 2. 北京吉克防護(hù)科技有限公司， 北京 100124；3. 東華大學(xué) 紡織學(xué)院， 上海 201620； 4. 軍事科學(xué)院系統(tǒng)工程研究院 軍需工程技術(shù)研究所， 北京 100010)

電磁波對(duì)人體具有熱效應(yīng)、非熱效應(yīng)、積累效應(yīng)等，當(dāng)人體長(zhǎng)時(shí)間暴露在超過(guò)電磁輻射暴露限值的環(huán)境時(shí)，會(huì)受到一定傷害[1]。目前，人們普遍采用穿著電磁輻射防護(hù)服的方式屏蔽電磁波，而防護(hù)服的屏蔽效能受到服裝款式及測(cè)試方法的影響。

已有諸多文獻(xiàn)[2-3]從模擬服裝結(jié)構(gòu)的角度出發(fā)，報(bào)導(dǎo)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(lǐng)口、袖口、門襟、下擺大小等因素對(duì)電磁輻射防護(hù)服屏蔽效能的影響；也有學(xué)者從測(cè)試的角度出發(fā)，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(nèi)不同位置[5-6]等對(duì)服裝屏蔽效能測(cè)試的影響。前述研究多是采用屏蔽面料模擬真實(shí)服裝，或者在研究服裝結(jié)構(gòu)的影響時(shí)側(cè)重于開(kāi)口、門襟的大小帶來(lái)的影響，并沒(méi)有從實(shí)際穿著使用的服裝款式角度切入。而不同結(jié)構(gòu)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(shí)際實(shí)用情況的。

從測(cè)試角度看，由于目前多數(shù)假人模型的內(nèi)部是中空結(jié)構(gòu)，人體模型穿著反射電磁波型屏蔽材料的電磁輻射防護(hù)服后，密閉的服裝會(huì)形成金屬諧振腔，導(dǎo)致通過(guò)防護(hù)服進(jìn)入到模型內(nèi)部的部分電磁波形成多次反射，使測(cè)試獲得的屏蔽效能有所降低，影響測(cè)量結(jié)果的真實(shí)性和穩(wěn)定性[7]。

為探究相同電磁屏蔽織物制備的不同結(jié)構(gòu)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(hù)服裝；在半電波暗室，采用著裝假人法，對(duì)屏蔽效能進(jìn)行測(cè)試，探究不同款式、不同測(cè)試部位、接縫縫隙、結(jié)構(gòu)開(kāi)口、假人內(nèi)部是否填充吸波材料、電磁波極化方向等要素對(duì)電磁輻射防護(hù)服屏蔽性能的影響。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)樣品

4件不同款式的電磁輻射防護(hù)服，均為3層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。其中：里層和外層分別為圣華盾防護(hù)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(hù)層，采用濟(jì)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(guī)格及性能如表1所示。

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

4種不同款式防護(hù)服的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)如下。1)馬甲：V型領(lǐng)口，樹(shù)脂拉鏈開(kāi)口，無(wú)門襟；2)大褂：立領(lǐng)，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(lǐng)，樹(shù)脂拉鏈開(kāi)口，門襟寬6 cm；褲子采用樹(shù)脂拉鏈開(kāi)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(lǐng)，采用樹(shù)脂拉鏈開(kāi)口(從領(lǐng)口直到下腹部)，門襟寬6 cm，門襟里側(cè)、袖口、褲腳、鞋套、手套均有塑料粘扣帶。

1.2 屏蔽效能測(cè)試及計(jì)算

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

1)儀器設(shè)備連接。將發(fā)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(wǎng)絡(luò)分析儀(300 kHz～20 GHz)、DR AP118型微波放大器用電纜連接。

2)測(cè)試系統(tǒng)調(diào)節(jié)。發(fā)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(shí)為垂直極化或水平極化，二者的間距設(shè)置為1.5 m。

3)儀器接通。接通矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀，預(yù)熱15 min，同時(shí)打開(kāi)微波放大器。

4)參數(shù)設(shè)置。打開(kāi)屏蔽效能測(cè)試軟件，根據(jù)測(cè)試需求設(shè)置好相關(guān)參數(shù)。

5)屏蔽效能測(cè)試。在實(shí)驗(yàn)一開(kāi)始以及更換測(cè)試部位之后，先進(jìn)行基準(zhǔn)測(cè)試，即在加載功率的條件下測(cè)試未穿著防護(hù)服時(shí)的電場(chǎng)強(qiáng)度E0，確認(rèn)校準(zhǔn)無(wú)誤后，再測(cè)試穿著電磁輻射防護(hù)服時(shí)的電場(chǎng)強(qiáng)度E1，通過(guò)屏蔽效能計(jì)算公式計(jì)算出電磁輻射防護(hù)服的屏蔽效能，每個(gè)部位測(cè)3次，結(jié)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(hù)服時(shí)的電場(chǎng)強(qiáng)度，V/m；E1為穿著電磁輻射防護(hù)服時(shí)的電場(chǎng)強(qiáng)度，V/m。

利用著裝假人法對(duì)電磁輻射防護(hù)服進(jìn)行屏蔽效能測(cè)試時(shí)對(duì)應(yīng)的測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)和測(cè)試部位如圖1、2所示。

6)填充吸波材料。為了驗(yàn)證填充吸波材料的人體模型對(duì)電磁輻射防護(hù)服屏蔽效能測(cè)試的影響，在人體模型內(nèi)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(nèi)的反射衰減如表2所示。

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

2 結(jié)果與分析

2.1 服裝結(jié)構(gòu)對(duì)防護(hù)服屏蔽效能的影響

按照1.2節(jié)所述測(cè)試步驟，測(cè)試4件不同款式防護(hù)服胸部和下腹部的屏蔽效能。測(cè)試時(shí)防護(hù)服要盡可能與人體模型服貼。其中馬甲由于尺寸較短，只測(cè)試胸部。測(cè)試結(jié)果如圖3、4所示。

為更直觀地對(duì)比不同款式服裝同一測(cè)試部位的屏蔽效能，對(duì)其進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果見(jiàn)表3。

從胸部的測(cè)試數(shù)據(jù)可知，無(wú)論假人模型是否填充吸波材料，不同服裝款式防護(hù)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(shù)據(jù)，可知馬甲的屏蔽效能最低，在23 dB左右。主要是因?yàn)樵摽钍降谋┞睹娣e較大，并且粘扣帶拉鏈開(kāi)口處無(wú)門襟，導(dǎo)致電磁波會(huì)從拉鏈開(kāi)口、領(lǐng)口、袖口等位置泄露。由于整套連體服在測(cè)試時(shí)帶有面罩，且覆蓋胸部位置，相當(dāng)于胸部有兩層屏蔽面料，導(dǎo)致連體服胸部的屏蔽效能可達(dá)41 dB，為最高。而分體服分為上、下兩個(gè)部分，上衣下擺開(kāi)口位置相對(duì)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(dǎo)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(cè)試部位的屏蔽效能平均值
Tab.3 Average shielding efficiency of same testing site fordifferent garment styles

測(cè)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(duì)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(wú)論有無(wú)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(shù)脂拉鏈開(kāi)口和3.5 cm門襟結(jié)構(gòu)，門襟寬度較窄，且拉鏈開(kāi)口下方中間層屏蔽面料沒(méi)有完全縫合在一起。

2.2 填充吸波材料后對(duì)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(cè)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(hù)服透射進(jìn)入到腔體內(nèi)部的電磁波，減少電磁波在防護(hù)服形成的金屬諧振腔體內(nèi)部的多次反射，從而使測(cè)試的屏蔽效能有所提升，這也非常符合實(shí)際使用情況。人體穿著電磁輻射防護(hù)服的目的是減少電磁波進(jìn)入人體內(nèi)部，且人體內(nèi)部的組織液是良好的吸波體。一方面不希望電磁波透過(guò)防護(hù)服進(jìn)入到人體，另一方面進(jìn)入到人體的微量電磁波會(huì)被人體組織液吸收。這些實(shí)際情況，可有效避免采用未填充吸波材料假人模型測(cè)試時(shí)，形成的金屬空腔導(dǎo)致多次反射。

連體服下腹部無(wú)論是有無(wú)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(kāi)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(duì)測(cè)試結(jié)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(tǒng)誤差。

在測(cè)試電磁輻射防護(hù)服的屏蔽效能時(shí)，所有曲線均會(huì)出現(xiàn)波動(dòng)現(xiàn)象，這和金屬諧振腔有著密不可分的關(guān)系。防護(hù)服屏蔽材料由導(dǎo)電織物制成，人體模型在穿著防護(hù)服后，由于內(nèi)部是空腔結(jié)構(gòu)，會(huì)和服裝形成類金屬殼體、且形狀非常不規(guī)則。電磁波從防護(hù)服透射進(jìn)入腔體后，必然會(huì)引起諧振效應(yīng)。規(guī)則的金屬腔體存在固定的諧振頻率，但對(duì)于人體模型和防護(hù)服組成的不規(guī)則腔體而言，諧振頻率是十分豐富的，所以經(jīng)?？煽吹狡帘涡艿臏y(cè)試結(jié)果曲線呈波動(dòng)現(xiàn)象，變動(dòng)較大[8]。

2.3 測(cè)試部位對(duì)防護(hù)服屏蔽效能的影響

為探究同款服裝不同部位所對(duì)應(yīng)的屏蔽效能，對(duì)大褂、分體服、連體服胸部和下腹部分別進(jìn)行測(cè)試，測(cè)得曲線如圖5、6所示，具體數(shù)據(jù)見(jiàn)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?yàn)樵谙赂共刻幣c上衣和下衣有重疊，相當(dāng)于增加了服裝層次。對(duì)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(kāi)口和門襟。當(dāng)在開(kāi)口處貼屏蔽面料條時(shí)，下腹部的屏蔽效能會(huì)大幅度提升。

2.4 服裝接縫對(duì)防護(hù)服屏蔽效能的影響

除了開(kāi)口，接縫縫隙也是影響電磁輻射防護(hù)服屏蔽效能的因素之一。對(duì)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(hù)服時(shí)使用的屏蔽面料裁剪成10 cm寬的長(zhǎng)條，粘貼到下腹部的門襟及拉鏈處，進(jìn)行對(duì)比測(cè)試。結(jié)果如圖8所示。

在縫隙處貼70 cm×10 cm長(zhǎng)條對(duì)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(duì)于胸部而言，由于面罩的存在已經(jīng)遮擋住了胸部處的縫隙，所以在貼了70 cm×10 cm的長(zhǎng)條后，測(cè)試結(jié)果和未貼時(shí)并無(wú)多大差異，均在41 dB左右。當(dāng)用長(zhǎng)條將連體服所有縫隙處貼滿時(shí)，相比與貼1片長(zhǎng)條的做法，無(wú)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(cè)試系統(tǒng)誤差范圍內(nèi)?？梢?jiàn)，服裝制作過(guò)程中的接縫對(duì)屏蔽效能影響顯著。

2.5 服裝開(kāi)口對(duì)防護(hù)服屏蔽效能的影響

服裝的開(kāi)口結(jié)構(gòu)，如袖口、領(lǐng)口等，會(huì)在一定程度上影響電磁輻射防護(hù)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(jìn)行測(cè)試，結(jié)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(wú)配件指的是去掉整套連體服的面罩、手套和鞋套，并松開(kāi)手套、鞋套以及領(lǐng)口處的粘扣帶。

可發(fā)現(xiàn)，本文設(shè)計(jì)的連體服，其服裝開(kāi)口對(duì)屏蔽效能的影響幾乎可忽略不計(jì)。對(duì)于下腹部，在有無(wú)服裝配件時(shí)測(cè)試結(jié)果的曲線幾乎重疊。對(duì)于胸部，在全套連體服時(shí)屏蔽效能最高，為41 dB；僅去除面罩時(shí)屏蔽效能降為33 dB，這主要與服裝層次有關(guān)，前文已有闡述。當(dāng)去除所有服裝配件并將所有粘扣帶松開(kāi)時(shí)，測(cè)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(jìn)。服裝開(kāi)口(領(lǐng)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(chǎng)極化方式對(duì)防護(hù)服屏蔽效能影響

垂直極化和水平極化狀態(tài)下的測(cè)試結(jié)果如圖10所示?？芍?，無(wú)論是胸部還是下腹部，大褂在垂直極化狀態(tài)下的屏蔽效能均優(yōu)于水平極化狀態(tài)。胸部在垂直極化狀態(tài)下，屏蔽效能為30 dB左右，在水平極化時(shí)為26 dB。下腹部在垂直極化狀態(tài)時(shí)約為29 dB，在水平極化時(shí)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(hù)服在電磁波垂直極化狀態(tài)和水平極化狀態(tài)依然會(huì)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(duì)屏蔽效能的影響，得出的結(jié)論是當(dāng)電場(chǎng)極化方向與開(kāi)縫垂直時(shí)最容易發(fā)生電磁泄露，與本實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致。發(fā)生電磁泄露的原因是防護(hù)服上的開(kāi)縫會(huì)切斷感應(yīng)電流從而降低了對(duì)電場(chǎng)的屏蔽效果，所以應(yīng)同時(shí)測(cè)試垂直極化和水平極化條件下防護(hù)服的屏蔽效能。

3 結(jié) 論

從服裝款式、測(cè)試部位、結(jié)構(gòu)開(kāi)口、接縫縫隙、假人模型是否填充吸波材料、電磁波極化方式6個(gè)角度研究了服裝結(jié)構(gòu)及測(cè)試對(duì)電磁輻射防護(hù)服屏蔽性能的影響，得出以下結(jié)論。

1)從服裝結(jié)構(gòu)而言，服裝款式、接縫縫隙是影響服裝屏蔽效能的重要因素，而較為緊口的領(lǐng)口和袖口等結(jié)構(gòu)開(kāi)口和測(cè)試部位對(duì)服裝屏蔽效能影響不大。應(yīng)盡量減少裁剪屏蔽面料產(chǎn)生的縫隙，不可避免的接縫應(yīng)采用屏蔽面料進(jìn)行搭接；采取局部增加服裝層次的方法也可有效提高屏蔽效能。

2)從測(cè)試而言，在人體模型內(nèi)部的后背位置處填滿吸波材料后，電磁輻射防護(hù)服的屏蔽效能提升顯著，減少了電磁波在由屏蔽服裝形成的諧振腔體內(nèi)部的多次反射導(dǎo)致的誤差。同時(shí)，由于防護(hù)服裝存在的接縫縫隙，導(dǎo)致其在垂直極化狀態(tài)和水平極化狀態(tài)下的屏蔽效能存在差異。