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      基于三維仿真的織物電磁屏蔽效能分析

      2021-06-15 03:13:10任帥鋒楊允出
      棉紡織技術(shù) 2021年6期
      關(guān)鍵詞:磁導(dǎo)率電磁波紗線

      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。

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