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(xué)，浙江杭州，310018）

人們對(duì)手機(jī)和電腦等電子設(shè)備的使用越來(lái)越多，日常生活、航空航天和軍事等領(lǐng)域都需要通過(guò)電磁波的發(fā)射與接收來(lái)傳遞信息?？臻g中的電磁波種類和數(shù)量逐漸增加，人們時(shí)時(shí)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(duì)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(dāng)有電磁波輻射時(shí)，人體組織會(huì)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(guò)熱會(huì)對(duì)組織造成一定的損害，因此電磁輻射會(huì)對(duì)人體造成熱損傷。人體各神經(jīng)元之間以電信號(hào)進(jìn)行傳導(dǎo)，外在電磁波輻射會(huì)在人體內(nèi)形成電流，從而擾亂人體中的神經(jīng)元傳導(dǎo)，造成神經(jīng)過(guò)敏，因此電磁輻射還會(huì)對(duì)人體造成非熱損傷［2］。

本研究通過(guò)模擬織物防護(hù)前后人體組織模擬液模型的電場(chǎng)強(qiáng)度變化來(lái)評(píng)價(jià)電磁防護(hù)織物的屏蔽效能，通過(guò)改變參數(shù)控制變量，研究織物厚度、相對(duì)磁導(dǎo)率和導(dǎo)電紗線排列對(duì)織物電磁屏蔽效能的影響。

1 織物電磁屏蔽效能的評(píng)價(jià)方法

由于人體各個(gè)組織所含無(wú)機(jī)鹽和水分不同，因而在外加電磁場(chǎng)的作用下，電導(dǎo)率和相對(duì)介電常數(shù)會(huì)隨著頻率的改變而發(fā)生變化［9］。相對(duì)磁導(dǎo)率小于1屬于抗磁性物質(zhì)，相對(duì)磁導(dǎo)率大于1屬于順磁性物質(zhì)［10］，人體組織磁導(dǎo)率可以近似表示為空氣磁導(dǎo)率。物體的相對(duì)磁導(dǎo)率等于實(shí)際磁導(dǎo)率與空氣磁導(dǎo)率之比，人體組織的相對(duì)磁導(dǎo)率近似為1，具有非磁性，受外界磁場(chǎng)作用后人體組織形成的電流磁場(chǎng)沒(méi)有方向性，相互抵消。因此，本研究采用防護(hù)前后人體組織中的電場(chǎng)強(qiáng)度變化來(lái)表征織物的屏蔽效能SE，見(jiàn)式（1）。

式中：E1表示織物防護(hù)后人體組織模擬液模型表面電場(chǎng)強(qiáng)度，E0表示織物防護(hù)前人體組織模擬液模型表面電場(chǎng)強(qiáng)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(dǎo)率、相對(duì)磁導(dǎo)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(dǎo)率105.73 S/m，相對(duì)磁導(dǎo)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(hù)至關(guān)重要［13］。頭部有皮膚、腦、骨骼等多種人體組織，國(guó)際上通常制成人體組織模擬液來(lái)研究電磁波對(duì)頭部的影響，在不同頻率下的電磁參數(shù)見(jiàn)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?？梢钥闯?，隨著頻率的升高，電導(dǎo)率逐漸增大，相對(duì)介電常數(shù)逐漸減小。

使用Barthel指數(shù)評(píng)價(jià)表和Fugl-Meyer評(píng)分,分別比較兩組患者在護(hù)理前后的患肢活動(dòng)能力和日常生活能力,評(píng)分越高說(shuō)明患者的恢復(fù)情況越好[3],和患者的生活質(zhì)量、護(hù)理服務(wù)滿意度。

3 仿真試驗(yàn)

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(fù)雜的仿真設(shè)計(jì)。將利用Tex Gen軟件構(gòu)建的織物模型導(dǎo)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(yùn)用矩形波導(dǎo)法，下端設(shè)置波端口激勵(lì)，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(yùn)行仿真得到人體組織模擬液中電場(chǎng)強(qiáng)度變化，進(jìn)而根據(jù)公式求出織物的屏蔽效能，研究織物厚度、相對(duì)磁導(dǎo)率和金屬紗線排列對(duì)織物電磁屏蔽效能的影響。

圖2 仿真試驗(yàn)示意圖

3.1 織物厚度對(duì)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(jiàn)表1），在頻率300 MHz~3 000 MHz電磁波下，通過(guò)模擬織物屏蔽前后人體組織模擬液表面的電場(chǎng)強(qiáng)度變化，進(jìn)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(qiáng)。

圖3 織物厚度對(duì)屏蔽效能的影響

電磁波穿過(guò)織物時(shí)，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(jì)算［16?17］見(jiàn)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(duì)空氣的相對(duì)磁導(dǎo)率，σr為織物對(duì)銅的相對(duì)電導(dǎo)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(qiáng)。

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(shí)，SE0.65mm與SE0.45mm相差10 dB；頻率為3 000 MHz時(shí)，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(shí)織物厚度與織物孔隙深度對(duì)感應(yīng)電流的大小影響變小，從而也就降低了織物厚度對(duì)電磁屏蔽效能的影響。趨膚深度δ公式見(jiàn)式（5）。

式中：f為電磁波頻率，μr為織物相對(duì)磁導(dǎo)率，σ為織物電導(dǎo)率。

3.2 相對(duì)磁導(dǎo)率對(duì)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(duì)磁導(dǎo)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(duì)織物相對(duì)磁導(dǎo)率的影響依次降低。將織物的相對(duì) 磁 導(dǎo) 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(guò)模擬織物屏蔽前后人體組織模擬液表面的電場(chǎng)強(qiáng)度變化，進(jìn)而根據(jù)式（1）得到不同相對(duì)磁導(dǎo)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(shí)，織物相對(duì)磁導(dǎo)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(duì)磁導(dǎo)率的增加而逐漸增強(qiáng)。由公式（3）可知，相對(duì)磁導(dǎo)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(duì)磁導(dǎo)率對(duì)電磁屏蔽效能的影響

織物相對(duì)磁導(dǎo)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(duì)磁導(dǎo)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(duì)磁導(dǎo)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(duì)磁導(dǎo)率的升高而逐漸減小，且呈非線性趨勢(shì)，使得織物電磁屏蔽效能的變化隨織物相對(duì)磁導(dǎo)率的升高而逐漸減慢。

3.3 導(dǎo)電紗線排列對(duì)織物屏蔽效能的影響

空間中由電場(chǎng)激起磁場(chǎng)，然后再由激發(fā)的磁場(chǎng)激起新的電場(chǎng)，不斷循環(huán)使電磁波向前傳播。每個(gè)漩渦電場(chǎng)和磁場(chǎng)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?qǐng)D2的仿真試驗(yàn)示意圖，當(dāng)電磁波沿Z軸傳播時(shí)，織物經(jīng)向（X軸方向）為磁場(chǎng)向量方向，織物緯向（Y軸方向）為電場(chǎng)向量方向。研究設(shè)置3種情況?？椢?：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(shí)，比較3種情況人體組織模擬液表面的電場(chǎng)強(qiáng)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(chǎng)強(qiáng)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(chǎng)強(qiáng)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(chǎng)強(qiáng)度在垂直方向和平行方向?qū)挾认喈?dāng)，最大為0.000 127 V/m。即在滌綸紗線方向透過(guò)電磁波較多，起屏蔽作用的主要為金屬紗線，并且電場(chǎng)強(qiáng)度E織物1＞E織物2＞E織物3，金屬紗線垂直電場(chǎng)向量方向時(shí)人體組織模擬液中的電場(chǎng)強(qiáng)度大于金屬紗線平行電場(chǎng)向量方向時(shí)人體組織模擬液中的電場(chǎng)強(qiáng)度。

圖6 不同經(jīng)緯紗的人體組織模擬液中電場(chǎng)強(qiáng)度

在頻率300 MHz~3 000 MHz電磁波下，織物厚度0.65 mm屏蔽時(shí)，模擬人體組織模擬液表面的電場(chǎng)強(qiáng)度變化，根據(jù)公式（1）計(jì)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(dǎo)電紗線屏蔽效能最高，導(dǎo)電紗線與電場(chǎng)向量方向平行時(shí)織物的屏蔽效能要優(yōu)于導(dǎo)電紗線與電場(chǎng)向量方向垂直時(shí)織物的屏蔽效能。當(dāng)導(dǎo)電紗線與電場(chǎng)向量方向平行時(shí)，每個(gè)漩渦電場(chǎng)剛好打在連續(xù)的導(dǎo)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(guò)到達(dá)人體組織模擬液的電磁波較少；而導(dǎo)電紗線與電場(chǎng)向量方向垂直時(shí)，每個(gè)漩渦電場(chǎng)就會(huì)透過(guò)縫隙和滌綸，從而導(dǎo)致吸收損耗A和反射損耗R降低，透過(guò)織物到達(dá)人體組織的電磁波較多。要提高電磁防護(hù)織物的屏蔽效能，可以考慮將導(dǎo)電紗線與電場(chǎng)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(duì)磁導(dǎo)率、導(dǎo)電紗線排列對(duì)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(qiáng)。隨著電磁波頻率的升高，織物厚度對(duì)電磁屏蔽效能的影響逐漸降低。

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

（3）織物與電場(chǎng)方向平行織入導(dǎo)電紗線的電磁屏蔽效能要優(yōu)于織物與電場(chǎng)方向垂直織入導(dǎo)電紗線的電磁屏蔽效能。電磁泄漏主要發(fā)生在電導(dǎo)率和相對(duì)磁導(dǎo)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(hù)用導(dǎo)電紗線。