基于三維仿真的織物電磁屏蔽效能分析

任帥鋒 楊允出

（浙江理工大學，浙江杭州，310018）

人們對手機和電腦等電子設(shè)備的使用越來越多，日常生活、航空航天和軍事等領(lǐng)域都需要通過電磁波的發(fā)射與接收來傳遞信息?？臻g中的電磁波種類和數(shù)量逐漸增加，人們時時刻刻都暴露在不同頻率的電磁波輻射下，由于人體組織為有耗介質(zhì)，通常用相對介電常數(shù)表示人體組織吸收電磁輻射的能力，用介電損耗因子表示人體組織耗散電磁輻射的能力。當有電磁波輻射時，人體組織會吸收電磁波，并且通常以熱能的形式耗散電磁輻射能量［1］，人體過熱會對組織造成一定的損害，因此電磁輻射會對人體造成熱損傷。人體各神經(jīng)元之間以電信號進行傳導，外在電磁波輻射會在人體內(nèi)形成電流，從而擾亂人體中的神經(jīng)元傳導，造成神經(jīng)過敏，因此電磁輻射還會對人體造成非熱損傷［2］。

本研究通過模擬織物防護前后人體組織模擬液模型的電場強度變化來評價電磁防護織物的屏蔽效能，通過改變參數(shù)控制變量，研究織物厚度、相對磁導率和導電紗線排列對織物電磁屏蔽效能的影響。

1 織物電磁屏蔽效能的評價方法

由于人體各個組織所含無機鹽和水分不同，因而在外加電磁場的作用下，電導率和相對介電常數(shù)會隨著頻率的改變而發(fā)生變化［9］。相對磁導率小于1屬于抗磁性物質(zhì)，相對磁導率大于1屬于順磁性物質(zhì)［10］，人體組織磁導率可以近似表示為空氣磁導率。物體的相對磁導率等于實際磁導率與空氣磁導率之比，人體組織的相對磁導率近似為1，具有非磁性，受外界磁場作用后人體組織形成的電流磁場沒有方向性，相互抵消。因此，本研究采用防護前后人體組織中的電場強度變化來表征織物的屏蔽效能SE，見式（1）。

式中：E1表示織物防護后人體組織模擬液模型表面電場強度，E0表示織物防護前人體組織模擬液模型表面電場強度。

2 織物和人體組織模型構(gòu)建

2.1 織物建模

織物中經(jīng)紗與緯紗相互交叉覆蓋，形成空隙，并具有一定的厚度。為了保證織物的穿著柔軟性，電磁屏蔽織物通常將金屬紗線與非金屬紗線混紡、交織［11］。

利用Tex Gen可以方便地構(gòu)建織物模型，需要織物模型的參數(shù)有紗線間隔、紗線寬度和織物厚度［12］，所需織物的電磁參數(shù)有電導率、相對磁導率、質(zhì)量密度。

采用的平紋織物電磁參數(shù)：紗線間距0.5 mm，紗線寬度0.235 mm，織物厚度0.45 mm；電導率105.73 S/m，相對磁導率52.28，質(zhì)量密度450 kg/m3。根據(jù)織物參數(shù)由Texgen軟件建立織物模型，如圖1所示。

圖1 平紋織物模型

2.2 人體組織建模

人體組織密度大致為1 000 kg/m3，大腦是人體的控制器官，不同的腦區(qū)靠神經(jīng)元聯(lián)結(jié)，頭部的電磁防護至關(guān)重要［13］。頭部有皮膚、腦、骨骼等多種人體組織，國際上通常制成人體組織模擬液來研究電磁波對頭部的影響，在不同頻率下的電磁參數(shù)見表1［14］。

表1 人體組織模擬液電磁參數(shù)

其中，頭部頂端皮膚厚度約為（2.96±0.48）mm［15］，仿真中將人體組織模擬液厚度設(shè)置為3 mm。可以看出，隨著頻率的升高，電導率逐漸增大，相對介電常數(shù)逐漸減小。

使用Barthel指數(shù)評價表和Fugl-Meyer評分,分別比較兩組患者在護理前后的患肢活動能力和日常生活能力,評分越高說明患者的恢復情況越好[3],和患者的生活質(zhì)量、護理服務(wù)滿意度。

3 仿真試驗

Ansys Electronics是一款三維電磁仿真軟件，在統(tǒng)一框架中提供通用用戶界面、模型輸入和設(shè)置、仿真控制以及后處理等功能，方便設(shè)置和求解復雜的仿真設(shè)計。將利用Tex Gen軟件構(gòu)建的織物模型導入Ansys Electronics軟件，在織物上方0.1 mm處構(gòu)建人體組織模擬液模型，如圖2所示。運用矩形波導法，下端設(shè)置波端口激勵，分配輻射邊界條件，添加新材質(zhì)，將織物和人體組織模擬液的電磁參數(shù)賦予模型，運行仿真得到人體組織模擬液中電場強度變化，進而根據(jù)公式求出織物的屏蔽效能，研究織物厚度、相對磁導率和金屬紗線排列對織物電磁屏蔽效能的影響。

圖2 仿真試驗示意圖

3.1 織物厚度對織物屏蔽效能的影響

將織物厚度分別設(shè)置為0.45 mm、0.55 mm、0.65 mm，其他因素不變（見表1），在頻率300 MHz~3 000 MHz電磁波下，通過模擬織物屏蔽前后人體組織模擬液表面的電場強度變化，進而根據(jù)式（1）得到不同厚度織物的電磁屏蔽效能，結(jié)果如圖3所示。由圖3可知，隨著織物厚度的增加，織物的屏蔽效能逐漸增強。

圖3 織物厚度對屏蔽效能的影響

電磁波穿過織物時，在織物表面產(chǎn)生反射，織物中有衰減，屏蔽效能SE相關(guān)計算［16?17］見式（2）~式（4）。

式中：A為電磁波在織物中衰減的吸收損耗，R為在織物表面的反射損耗，B為多次反射的增益，f為電磁波的頻率，t為織物厚度，μr是織物對空氣的相對磁導率，σr為織物對銅的相對電導率，g為織物孔隙寬度。

由式（2）、式（3）可知，隨著織物厚度和電磁波頻率的增加，吸收損耗逐漸增加，織物的屏蔽效能增強。

由式（4）可知，屏蔽效能與織物厚度呈正比。由圖3的曲線傾斜程度可以看出，頻率越低，織物屏蔽效能變化越快。頻率為300 MHz時，SE0.65mm與SE0.45mm相差10 dB；頻率為3 000 MHz時，SE0.65mm與SE0.45mm相差7.26 d B。由于電磁波具有趨膚效應(yīng)，隨著電磁波頻率的升高，電磁波在織物中產(chǎn)生的感應(yīng)電流主要集中在織物的表面，此時織物厚度與織物孔隙深度對感應(yīng)電流的大小影響變小，從而也就降低了織物厚度對電磁屏蔽效能的影響。趨膚深度δ公式見式（5）。

式中：f為電磁波頻率，μr為織物相對磁導率，σ為織物電導率。

3.2 相對磁導率對織物電磁屏蔽效能的影響

不同結(jié)構(gòu)的織物具有不同的相對磁導率，織物中的金屬纖維含量、織物的組織結(jié)構(gòu)和排列比對織物相對磁導率的影響依次降低。將織物的相對 磁 導 率 設(shè) 置 為10、50、100、150、200，厚 度0.55 mm，在頻率為1 450 MHz的電磁波下，通過模擬織物屏蔽前后人體組織模擬液表面的電場強度變化，進而根據(jù)式（1）得到不同相對磁導率織物的電磁屏蔽效能，結(jié)果如圖4所示。

由圖4可知，在頻率為1 450 MHz時，織物相對磁導率從10增加到200，屏蔽效能從31.25 dB增加到50.75 d B，電磁屏蔽效能隨著相對磁導率的增加而逐漸增強。由公式（3）可知，相對磁導率μr越大，吸收損耗A越大，從而提高了織物的電磁屏蔽效能。

圖4 織物相對磁導率對電磁屏蔽效能的影響

織物相對磁導率從10增加到100，織物的電磁屏蔽效能從31.25 dB增加到44.01 dB，增加了12.76 dB；織物相對磁導率從100增加到200，織物的電磁屏蔽效能從44.01 dB增加到50.75 dB，增加了6.74 dB。隨著相對磁導率的提高，織物電磁屏蔽效能的變化逐漸減慢。由公式（5）可知，趨膚深度隨相對磁導率的升高而逐漸減小，且呈非線性趨勢，使得織物電磁屏蔽效能的變化隨織物相對磁導率的升高而逐漸減慢。

3.3 導電紗線排列對織物屏蔽效能的影響

空間中由電場激起磁場，然后再由激發(fā)的磁場激起新的電場，不斷循環(huán)使電磁波向前傳播。每個漩渦電場和磁場為橢圓形閉合曲線［18］，如圖5所示。

圖5 電磁波傳播規(guī)律

按照圖2的仿真試驗示意圖，當電磁波沿Z軸傳播時，織物經(jīng)向（X軸方向）為磁場向量方向，織物緯向（Y軸方向）為電場向量方向。研究設(shè)置3種情況。織物1：經(jīng)紗材料為不銹鋼紗線，緯紗為滌綸紗線?？椢?：經(jīng)紗為滌綸紗線，緯紗為不銹鋼紗線?？椢?：經(jīng)緯雙向都為不銹鋼紗線。在頻率300 MHz電磁波下，織物厚度0.65 mm屏蔽時，比較3種情況人體組織模擬液表面的電場強度變化，如圖6所示。

由圖6可以看出，織物1的人體組織模擬液中電場強度在水平方向紅色區(qū)域較寬，最大為0.001 569 V/m；織物2的人體組織模擬液中電場強度在垂直方向紅色區(qū)域較寬，最大為0.001 004 V/m；織物3的人體組織模擬液中電場強度在垂直方向和平行方向?qū)挾认喈?，最大?.000 127 V/m。即在滌綸紗線方向透過電磁波較多，起屏蔽作用的主要為金屬紗線，并且電場強度E織物1＞E織物2＞E織物3，金屬紗線垂直電場向量方向時人體組織模擬液中的電場強度大于金屬紗線平行電場向量方向時人體組織模擬液中的電場強度。

圖6 不同經(jīng)緯紗的人體組織模擬液中電場強度

在頻率300 MHz~3 000 MHz電磁波下，織物厚度0.65 mm屏蔽時，模擬人體組織模擬液表面的電場強度變化，根據(jù)公式（1）計算3種情況織物屏蔽效能。結(jié)果如圖7所示。

圖7 不同經(jīng)緯紗線的織物電磁屏蔽效能

由 圖7可 知 ，屏 蔽 效 能SE織物1＜SE織物2＜SE織物3，雙向織入導電紗線屏蔽效能最高，導電紗線與電場向量方向平行時織物的屏蔽效能要優(yōu)于導電紗線與電場向量方向垂直時織物的屏蔽效能。當導電紗線與電場向量方向平行時，每個漩渦電場剛好打在連續(xù)的導電紗線上，大部分的電磁波被反射和吸收，吸收損耗A和反射損耗R較高，透過到達人體組織模擬液的電磁波較少；而導電紗線與電場向量方向垂直時，每個漩渦電場就會透過縫隙和滌綸，從而導致吸收損耗A和反射損耗R降低，透過織物到達人體組織的電磁波較多。要提高電磁防護織物的屏蔽效能，可以考慮將導電紗線與電場向量方向平行?？紤]到穿著柔軟性和舒適性等因素，可以采取雙層織物，兩層織物分別沿經(jīng)向和緯向織入金屬材料紗線，既能減少織物厚度、重量，穿著柔軟，又可以增加透氣、透濕性能。

4 結(jié)論

綜上所述，織物厚度、織物相對磁導率、導電紗線排列對電磁屏蔽性能的影響如下。

（1）隨著織物厚度的增加，織物的屏蔽效能逐漸增強。隨著電磁波頻率的升高，織物厚度對電磁屏蔽效能的影響逐漸降低。

（2）織物相對磁導率對屏蔽效能有影響，電磁屏蔽效能隨著相對磁導率的增加而逐漸增強，電磁屏蔽效能的變化隨織物相對磁導率的升高而逐漸減慢。

（3）織物與電場方向平行織入導電紗線的電磁屏蔽效能要優(yōu)于織物與電場方向垂直織入導電紗線的電磁屏蔽效能。電磁泄漏主要發(fā)生在電導率和相對磁導率較低的纖維處。為了保證織物的服用性，可以考慮雙層織物，且各層經(jīng)向和緯向均織入電磁防護用導電紗線。