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。
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。
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
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。
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]。
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。
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。
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。
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。
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。