服裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)電磁屏蔽效能的影響

劉亞瓊,李 楠,李 雯,王利君,c

(浙江理工大學(xué), a.浙江省服裝工程技術(shù)研究中心；b.服裝學(xué)院；c.絲綢文化傳承與產(chǎn)品設(shè)計(jì)數(shù)字化技術(shù)文化和旅游部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，杭州 310018)

現(xiàn)如今電磁輻射幾乎已經(jīng)遍布人們生活的各個(gè)角落，對(duì)人體健康造成不良影響。研究表明防電磁輻射服用產(chǎn)品可對(duì)人體進(jìn)行有效防護(hù)[1-2]。現(xiàn)有諸多學(xué)者[3-6]從織物角度出發(fā)，通過(guò)改變織物相關(guān)參數(shù)或者通過(guò)涂覆導(dǎo)電層的方法探究織物的最佳屏蔽效能。人體是三維曲面結(jié)構(gòu)，考慮到人體活動(dòng)自由度及服用舒適性，服裝難免會(huì)出現(xiàn)開(kāi)口以及孔縫，從而破壞面料的整體性，極易造成電磁波泄露，故電磁屏蔽織物的研究結(jié)論不能直接運(yùn)用到電磁屏蔽服裝中。在學(xué)者對(duì)服裝的電磁屏蔽效能相關(guān)研究中，如王春燕[7]設(shè)計(jì)不同大小的孔洞，探究其對(duì)服裝屏蔽效能影響，結(jié)果表明當(dāng)孔洞面積不斷增大，服裝屏蔽效能呈顯著下降趨勢(shì)，且當(dāng)孔洞面積超過(guò)一定范圍，服裝會(huì)失去有效防護(hù)作用。Chen等[8]設(shè)計(jì)不同款式衣領(lǐng)，探究領(lǐng)型對(duì)屏蔽效能的影響規(guī)律，為電磁防護(hù)服裝設(shè)計(jì)提供一定參考作用；劉哲等[9]在控制領(lǐng)圍尺寸的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)不同領(lǐng)型，研究發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)較復(fù)雜的領(lǐng)型屏蔽效能更好，如翻領(lǐng)和立領(lǐng)的服裝屏蔽效能高于圓領(lǐng)的；田宏等[10]研究了袖口對(duì)服裝袖部區(qū)域屏蔽效能的影響，發(fā)現(xiàn)圍度較小、褶皺較多、松緊式袖口的袖子屏蔽效果相對(duì)較佳；伏廣偉等[11]對(duì)男式西裝門(mén)襟開(kāi)口面積與屏蔽效能的關(guān)系進(jìn)行探究，得出西裝暴露面積越大，屏蔽效果越差，且隨著電磁波頻率增大，不同開(kāi)口面積造成的屏蔽效能差值有逐漸變大的趨勢(shì)。這些學(xué)者均從單一的服裝部位入手，研究其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與服裝屏蔽效能之間的關(guān)系，缺乏對(duì)服裝多部位結(jié)構(gòu)的研究及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與服裝屏蔽效能定量關(guān)系的分析。

因此，本文從服裝整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)角度出發(fā)，選取常見(jiàn)的防輻射織物(不銹鋼纖維混紡織物)和不同結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)因素制作女裝樣衣，探究多因素結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)服裝電磁屏蔽效能的影響，建立服裝電磁屏蔽效能的預(yù)測(cè)模型并驗(yàn)證其有效性。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 面料選取

選取市場(chǎng)上常見(jiàn)的不銹鋼纖維混紡織物，其具有電磁屏蔽效能高，耐磨耐洗，性價(jià)比高的特點(diǎn)[12-13]，織物規(guī)格見(jiàn)表1。

表1 織物規(guī)格Tab.1 Fabric specifications

1.2 服裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案

由于孔洞面積和縫隙尺寸對(duì)服裝屏蔽效能具有顯著影響，實(shí)驗(yàn)樣衣應(yīng)滿足減少開(kāi)口數(shù)量及減少暴露面積的款式要求，綜合考慮后選取日本文化式女裝原型為基礎(chǔ)款式，并根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求進(jìn)行樣衣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，原型款式如圖1所示。

圖1 原型款式Fig.1 The prototype style

衣領(lǐng)、下擺圍、衣長(zhǎng)、袖長(zhǎng)作為服裝必不可少的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)因素，在滿足服用性能的同時(shí)也應(yīng)注意對(duì)服裝整體電磁屏蔽效能的影響。因此本文選取這4個(gè)服裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)因素，采用正交表L9(34)設(shè)計(jì)4因素3水平實(shí)驗(yàn)方案，其中衣領(lǐng)選擇常見(jiàn)的無(wú)領(lǐng)、立領(lǐng)和翻領(lǐng)結(jié)構(gòu)(衣領(lǐng)領(lǐng)圈弧線相等，立領(lǐng)和翻領(lǐng)的領(lǐng)座高度相等)；下擺圍以8 cm為區(qū)間設(shè)置代表合體、較寬松及寬松結(jié)構(gòu)的3種圍度；袖長(zhǎng)以人臺(tái)可脫卸手臂尺寸為基準(zhǔn)設(shè)置無(wú)袖、短袖及長(zhǎng)袖尺寸；以人臺(tái)臀圍線為基準(zhǔn)，設(shè)置衣長(zhǎng)水平，分別為48、56 cm(人臺(tái)肩點(diǎn)到臀圍線長(zhǎng)度)和64 cm。因素水平表見(jiàn)表2，正交實(shí)驗(yàn)方案見(jiàn)表3。

表2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)因素水平表Tab.2 Structural design factor horizontal table

表3 正交實(shí)驗(yàn)方案Tab.3 Orthogonal experimental plan

根據(jù)表2、表3在女裝原型結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)樣衣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖制作9件不同款式的實(shí)驗(yàn)樣衣，樣衣縫制均采用滌綸短纖維縫紉線、12號(hào)機(jī)針，線跡密度18針/3 cm，平縫的方式。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖如圖2所示，樣衣款式圖及編號(hào)如圖3所示。

圖2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)Fig.2 Structural design

圖3 樣衣款式及編號(hào)Fig.3 Sample styles and numbers

1.3 服裝電磁屏蔽效能測(cè)試

服裝電磁屏蔽效能的測(cè)試采用屏蔽室法[14]，其中屏蔽室又稱半電波暗室。

1.3.1 測(cè)試設(shè)備

R&S SMB100A微波信號(hào)發(fā)生器(發(fā)射頻率為9 kHz～3.2 GHz，羅德與施瓦茨公司)、R&S SFL3頻譜分析儀(可分析9 kHz～3 GHz輻射量，羅德與施瓦茨公司)、QJSJ8008000喇叭天線(主要應(yīng)用于900GHz及以下的輻射量，南京群嘉有限公司)、偶電子天線(探頭長(zhǎng)為8 cm，深圳杰納斯科技有限公司)，實(shí)驗(yàn)測(cè)試設(shè)備如圖4所示。

圖4 實(shí)驗(yàn)測(cè)試設(shè)備Fig.4 Experimental test equipment

1.3.2 電磁波頻率選取

生活中人們常接觸到的電子設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)信號(hào)的頻段主要為300～2500 MHz，為保證實(shí)驗(yàn)精確性，本文選取測(cè)量頻率為300～2750 MHz，測(cè)量頻點(diǎn)為間隔350 MHz的8個(gè)均勻頻點(diǎn)。

哎，小孫啊，你不要緊張嘛！周書(shū)記仰起了頭，你夫人穎春在信中向我強(qiáng)力推薦你，說(shuō)你是個(gè)難得的人才，不但具有業(yè)務(wù)能力而且又具有組織能力，是個(gè)可以讓領(lǐng)導(dǎo)放心、讓單位安心、讓百姓稱心的人，建議我們縣委、政府要重用你……周書(shū)記說(shuō)到這里又把話停住了。

1.3.3 測(cè)試方法設(shè)計(jì)

為了使實(shí)驗(yàn)測(cè)試更加精確，本文基于GB/T 12190-2006《電磁屏蔽室屏蔽效能的測(cè)量方法》，設(shè)計(jì)新的測(cè)試部位、輻射源方向以及輻射距離。

由于胸部、腹部包含人體眾多器官，需要重點(diǎn)防護(hù)，此外頸部、肩部靠近服裝開(kāi)口部位，易使電磁波進(jìn)入人體，也需要重點(diǎn)研究，因此實(shí)驗(yàn)中電磁輻射測(cè)試部位選取胸部、腹部、頸部、肩部，如圖5所示。

圖5 部位測(cè)試點(diǎn)Fig.5 Part test points

在自然環(huán)境中，電磁波向空間任意方向傳播，實(shí)驗(yàn)為了更好模擬真實(shí)環(huán)境，在測(cè)試人臺(tái)的正前方、正上方及側(cè)方設(shè)置電磁波輻射源。根據(jù)電磁屏蔽理論[15]，當(dāng)物體與電磁波發(fā)射源的距離小于λ/2π時(shí)，電磁輻射場(chǎng)為近場(chǎng)，當(dāng)距離大于λ/2π時(shí)為遠(yuǎn)場(chǎng)，當(dāng)距離等于λ/2π時(shí)為過(guò)渡區(qū)。只有在頻率較低時(shí)，輻射主要發(fā)生在近場(chǎng)，隨著頻率增高，電磁場(chǎng)趨于遠(yuǎn)場(chǎng)輻射，因此實(shí)驗(yàn)應(yīng)在遠(yuǎn)場(chǎng)環(huán)境中進(jìn)行。本文測(cè)試頻點(diǎn)最小為300 MHz，根據(jù)公式

f=c/λ

(1)

λ=2πr

(2)

式中：f為頻率，Hz；c為光速，km/s；λ為波長(zhǎng)，m。

計(jì)算可得過(guò)渡區(qū)距離為0.16 m，即當(dāng)r>0.16 m 時(shí)，實(shí)驗(yàn)測(cè)試過(guò)程均處于遠(yuǎn)場(chǎng)環(huán)境中，此外基于GB/T 12190-2006《電磁屏蔽室屏蔽效能的測(cè)量方法》中要求發(fā)射天線與接收天線距離不小于1 m，因此本實(shí)驗(yàn)選定輻射距離為1 m。

綜合上述分析，本實(shí)驗(yàn)借助屏蔽室法，以人臺(tái)腹突點(diǎn)向上8 cm為坐標(biāo)原點(diǎn)，分別在坐標(biāo)原點(diǎn)的X、Y、Z軸正方向1 m處設(shè)置輻射源進(jìn)行測(cè)試，輻射源發(fā)射方向如圖6所示，服裝電磁屏蔽效能測(cè)試系統(tǒng)如圖7所示。

圖6 輻射源發(fā)射方向Fig.6 Radiation source emission directions

圖7 服裝屏蔽效能測(cè)試系統(tǒng)Fig.7 Clothing electromagnetic shielding efficiency test system

1.3.4 測(cè)試結(jié)果計(jì)算

SE整體=(SE胸部+SE腹部+SE頸部+SE肩部)/4

(3)

式中：SE整體表示樣衣整體屏蔽值，dB；SE胸部、SE腹部、SE頸部、SE肩部分別表示待測(cè)部位在X、Y、Z軸方向上屏蔽效能的均值，dB。

SEi=(SEix+SEiy+SEiz)/3

(4)

式中：i=1、2、3、4，分別代表胸部、腹部、頸部、肩部。

2 結(jié)果與分析

2.1 正交實(shí)驗(yàn)分析

對(duì)服裝不同部位進(jìn)行電磁屏蔽效能測(cè)試，計(jì)算結(jié)果如表4所示，表中K1、K2、K3分別代表在第1、2、3水平下，對(duì)應(yīng)因素的實(shí)驗(yàn)結(jié)果總和，R為極差，表示各因素不同水平之間最大值與最小值的差異情況。

由表4可知，RD>RC>RB>RA，即在4個(gè)結(jié)構(gòu)因素中，影響程度最大的部位結(jié)構(gòu)為衣長(zhǎng)，其次是袖長(zhǎng)。其原因?yàn)橄噍^衣領(lǐng)和下擺圍而言，衣長(zhǎng)和袖長(zhǎng)的結(jié)構(gòu)變化對(duì)服裝暴露面積影響更大，而暴露面積是影響服裝屏蔽效能的重要因素[16]，因此衣長(zhǎng)和袖長(zhǎng)對(duì)電磁屏蔽效能影響程度更大。

表4 樣衣屏蔽效能測(cè)試及正交計(jì)算結(jié)果Tab.4 Sample shielding efficiency test and orthogonal results

2.2 方差分析

對(duì)4個(gè)結(jié)構(gòu)因素測(cè)試結(jié)果做方差分析，選擇紡織服裝行業(yè)常用的F0.05、F0.01進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)[17]。分析結(jié)果如表5所示。

表5 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)因素方差分析Tab.5 Structural design factor variance analysis

由表5可知，衣領(lǐng)(A)、下擺圍(B)、袖長(zhǎng)(C)、衣長(zhǎng)(D)顯著性均小于顯著性水平0.01，即對(duì)服裝屏蔽效能均具有顯著性影響，此外各因素的F值與F0.01值相較，衣長(zhǎng)F值與F0.01值相差最大，次之，袖長(zhǎng)，因此衣長(zhǎng)、袖長(zhǎng)的影響性較為顯著。

綜上所述，從對(duì)服裝電磁屏蔽效能影響程度的大小來(lái)說(shuō)，4個(gè)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)因素中，衣長(zhǎng)、袖長(zhǎng)大于衣領(lǐng)、下擺圍。因此在選擇防電磁輻射服裝時(shí)，應(yīng)更注重衣長(zhǎng)、袖長(zhǎng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

2.3 模型構(gòu)建

為獲取結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與服裝電磁屏蔽效能之間的定量關(guān)系，對(duì)屏蔽效能影響顯著的4個(gè)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)因素進(jìn)行初步擬合回歸分析，模型有效性檢驗(yàn)表明回歸方程無(wú)統(tǒng)計(jì)意義，故剔除影響程度最小的衣領(lǐng)結(jié)構(gòu)因素后重新建模，有效預(yù)測(cè)模型如表6所示。

由表6可得預(yù)測(cè)模型為：

表6 服裝屏蔽效能預(yù)測(cè)模型Tab.6 Clothing shielding effect prediction model

SE=-24.002+0.070B+0.070C+0.464D

(5)

式中：SE表示服裝電磁屏蔽效能，dB；B表示下擺圍，cm；C表示袖長(zhǎng)，cm；D表示衣長(zhǎng)，cm。

一般判定模型好壞的指標(biāo)為R2，R2越接近1，表明擬合優(yōu)度越高，當(dāng)R2>0.7時(shí)，方程才具有實(shí)際參考意義[18]。該預(yù)測(cè)模型的調(diào)整系數(shù)R2為0.938>0.7，因此該預(yù)測(cè)模型擬合較優(yōu)，具有一定的預(yù)測(cè)性和實(shí)際意義。

2.4 模型驗(yàn)證

為檢驗(yàn)?zāi)Ｐ偷念A(yù)測(cè)性，選取無(wú)領(lǐng)款式及任意參數(shù)的下擺圍、袖長(zhǎng)及衣長(zhǎng)制作4件樣衣，樣衣的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表7，將測(cè)試的服裝電磁屏蔽效能實(shí)際值與預(yù)測(cè)值比較，對(duì)比結(jié)果如圖8所示。

表7 檢驗(yàn)樣衣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)Tab.7 Test sample structure design parameters

圖8 屏蔽效能實(shí)際值與預(yù)測(cè)值對(duì)比Fig.8 Shielding efficiency actual value and predictive value

由圖8可知，檢驗(yàn)樣衣實(shí)際測(cè)試值與模型預(yù)測(cè)值相差不大，兩者的相對(duì)誤差均值為7.05%，精準(zhǔn)度為92.95%，因此該模型具有較好的預(yù)測(cè)性，為建立服裝屏蔽效能與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的定量關(guān)系提供了參考價(jià)值。

3 結(jié) 論

本文針對(duì)衣領(lǐng)結(jié)構(gòu)、下擺圍、袖長(zhǎng)和衣長(zhǎng)4個(gè)服裝結(jié)構(gòu)因素設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案并制作樣衣，基于屏蔽室法設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)服裝屏蔽效能測(cè)試方法并對(duì)其屏蔽效能進(jìn)行測(cè)試，探究不同結(jié)構(gòu)因素對(duì)屏蔽效能的影響水平以及它們之間的具體關(guān)系，得出以下結(jié)論：

a)4個(gè)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)因素均對(duì)服裝電磁屏蔽效能具有顯著影響，衣長(zhǎng)、袖長(zhǎng)尤為顯著。服裝屏蔽效能隨衣長(zhǎng)、袖長(zhǎng)的增加而明顯提高，因此在選擇防電磁輻射服裝時(shí)應(yīng)更加注重衣長(zhǎng)、袖長(zhǎng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

b)通過(guò)多元線性回歸分析，剔除影響程度最小的衣領(lǐng)結(jié)構(gòu)因素，建立了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)因素與服裝電磁屏蔽效能之間的關(guān)系預(yù)測(cè)模型，模型為SE=-24.002+0.070B+0.070C+0.464D。