基于三维仿真的织物电磁屏蔽效能分析

2021-06-15任帅锋杨允出

棉纺织技术 2021年6期

任帅锋杨允出

（浙江理工大学，浙江杭州，310018）

人们对手机和电脑等电子设备的使用越来越多，日常生活、航空航天和军事等领域都需要通过电磁波的发射与接收来传递信息。空间中的电磁波种类和数量逐渐增加，人们时时刻刻都暴露在不同频率的电磁波辐射下，由于人体组织为有耗介质，通常用相对介电常数表示人体组织吸收电磁辐射的能力，用介电损耗因子表示人体组织耗散电磁辐射的能力。当有电磁波辐射时，人体组织会吸收电磁波，并且通常以热能的形式耗散电磁辐射能量［1］，人体过热会对组织造成一定的损害，因此电磁辐射会对人体造成热损伤。人体各神经元之间以电信号进行传导，外在电磁波辐射会在人体内形成电流，从而扰乱人体中的神经元传导，造成神经过敏，因此电磁辐射还会对人体造成非热损伤［2］。

本研究通过模拟织物防护前后人体组织模拟液模型的电场强度变化来评价电磁防护织物的屏蔽效能，通过改变参数控制变量，研究织物厚度、相对磁导率和导电纱线排列对织物电磁屏蔽效能的影响。

1 织物电磁屏蔽效能的评价方法

由于人体各个组织所含无机盐和水分不同，因而在外加电磁场的作用下，电导率和相对介电常数会随着频率的改变而发生变化［9］。相对磁导率小于1属于抗磁性物质，相对磁导率大于1属于顺磁性物质［10］，人体组织磁导率可以近似表示为空气磁导率。物体的相对磁导率等于实际磁导率与空气磁导率之比，人体组织的相对磁导率近似为1，具有非磁性，受外界磁场作用后人体组织形成的电流磁场没有方向性，相互抵消。因此，本研究采用防护前后人体组织中的电场强度变化来表征织物的屏蔽效能SE，见式（1）。

式中：E1表示织物防护后人体组织模拟液模型表面电场强度，E0表示织物防护前人体组织模拟液模型表面电场强度。

2 织物和人体组织模型构建

2.1 织物建模

织物中经纱与纬纱相互交叉覆盖，形成空隙，并具有一定的厚度。为了保证织物的穿着柔软性，电磁屏蔽织物通常将金属纱线与非金属纱线混纺、交织［11］。

利用Tex Gen可以方便地构建织物模型，需要织物模型的参数有纱线间隔、纱线宽度和织物厚度［12］，所需织物的电磁参数有电导率、相对磁导率、质量密度。

采用的平纹织物电磁参数：纱线间距0.5 mm，纱线宽度0.235 mm，织物厚度0.45 mm；电导率105.73 S/m，相对磁导率52.28，质量密度450 kg/m3。根据织物参数由Texgen软件建立织物模型，如图1所示。

图1 平纹织物模型

2.2 人体组织建模

人体组织密度大致为1 000 kg/m3，大脑是人体的控制器官，不同的脑区靠神经元联结，头部的电磁防护至关重要［13］。头部有皮肤、脑、骨骼等多种人体组织，国际上通常制成人体组织模拟液来研究电磁波对头部的影响，在不同频率下的电磁参数见表1［14］。

表1 人体组织模拟液电磁参数

其中，头部顶端皮肤厚度约为（2.96±0.48）mm［15］，仿真中将人体组织模拟液厚度设置为3 mm。可以看出，随着频率的升高，电导率逐渐增大，相对介电常数逐渐减小。

使用Barthel指数评价表和Fugl-Meyer评分,分别比较两组患者在护理前后的患肢活动能力和日常生活能力,评分越高说明患者的恢复情况越好[3],和患者的生活质量、护理服务满意度。

3 仿真试验

Ansys Electronics是一款三维电磁仿真软件，在统一框架中提供通用用户界面、模型输入和设置、仿真控制以及后处理等功能，方便设置和求解复杂的仿真设计。将利用Tex Gen软件构建的织物模型导入Ansys Electronics软件，在织物上方0.1 mm处构建人体组织模拟液模型，如图2所示。运用矩形波导法，下端设置波端口激励，分配辐射边界条件，添加新材质，将织物和人体组织模拟液的电磁参数赋予模型，运行仿真得到人体组织模拟液中电场强度变化，进而根据公式求出织物的屏蔽效能，研究织物厚度、相对磁导率和金属纱线排列对织物电磁屏蔽效能的影响。

图2 仿真试验示意图

3.1 织物厚度对织物屏蔽效能的影响

将织物厚度分别设置为0.45 mm、0.55 mm、0.65 mm，其他因素不变（见表1），在频率300 MHz~3 000 MHz电磁波下，通过模拟织物屏蔽前后人体组织模拟液表面的电场强度变化，进而根据式（1）得到不同厚度织物的电磁屏蔽效能，结果如图3所示。由图3可知，随着织物厚度的增加，织物的屏蔽效能逐渐增强。

图3 织物厚度对屏蔽效能的影响

电磁波穿过织物时，在织物表面产生反射，织物中有衰减，屏蔽效能SE相关计算［16⁃17］见式（2）~式（4）。

式中：A为电磁波在织物中衰减的吸收损耗，R为在织物表面的反射损耗，B为多次反射的增益，f为电磁波的频率，t为织物厚度，μr是织物对空气的相对磁导率，σr为织物对铜的相对电导率，g为织物孔隙宽度。

由式（2）、式（3）可知，随着织物厚度和电磁波频率的增加，吸收损耗逐渐增加，织物的屏蔽效能增强。

由式（4）可知，屏蔽效能与织物厚度呈正比。由图3的曲线倾斜程度可以看出，频率越低，织物屏蔽效能变化越快。频率为300 MHz时，SE0.65mm与SE0.45mm相差10 dB；频率为3 000 MHz时，SE0.65mm与SE0.45mm相差7.26 d B。由于电磁波具有趋肤效应，随着电磁波频率的升高，电磁波在织物中产生的感应电流主要集中在织物的表面，此时织物厚度与织物孔隙深度对感应电流的大小影响变小，从而也就降低了织物厚度对电磁屏蔽效能的影响。趋肤深度δ公式见式（5）。

式中：f为电磁波频率，μr为织物相对磁导率，σ为织物电导率。

3.2 相对磁导率对织物电磁屏蔽效能的影响

不同结构的织物具有不同的相对磁导率，织物中的金属纤维含量、织物的组织结构和排列比对织物相对磁导率的影响依次降低。将织物的相对磁导率设置为10、50、100、150、200，厚度0.55 mm，在频率为1 450 MHz的电磁波下，通过模拟织物屏蔽前后人体组织模拟液表面的电场强度变化，进而根据式（1）得到不同相对磁导率织物的电磁屏蔽效能，结果如图4所示。

由图4可知，在频率为1 450 MHz时，织物相对磁导率从10增加到200，屏蔽效能从31.25 dB增加到50.75 d B，电磁屏蔽效能随着相对磁导率的增加而逐渐增强。由公式（3）可知，相对磁导率μr越大，吸收损耗A越大，从而提高了织物的电磁屏蔽效能。

图4 织物相对磁导率对电磁屏蔽效能的影响

织物相对磁导率从10增加到100，织物的电磁屏蔽效能从31.25 dB增加到44.01 dB，增加了12.76 dB；织物相对磁导率从100增加到200，织物的电磁屏蔽效能从44.01 dB增加到50.75 dB，增加了6.74 dB。随着相对磁导率的提高，织物电磁屏蔽效能的变化逐渐减慢。由公式（5）可知，趋肤深度随相对磁导率的升高而逐渐减小，且呈非线性趋势，使得织物电磁屏蔽效能的变化随织物相对磁导率的升高而逐渐减慢。

3.3 导电纱线排列对织物屏蔽效能的影响

空间中由电场激起磁场，然后再由激发的磁场激起新的电场，不断循环使电磁波向前传播。每个漩涡电场和磁场为椭圆形闭合曲线［18］，如图5所示。

图5 电磁波传播规律

按照图2的仿真试验示意图，当电磁波沿Z轴传播时，织物经向（X轴方向）为磁场向量方向，织物纬向（Y轴方向）为电场向量方向。研究设置3种情况。织物1：经纱材料为不锈钢纱线，纬纱为涤纶纱线。织物2：经纱为涤纶纱线，纬纱为不锈钢纱线。织物3：经纬双向都为不锈钢纱线。在频率300 MHz电磁波下，织物厚度0.65 mm屏蔽时，比较3种情况人体组织模拟液表面的电场强度变化，如图6所示。

由图6可以看出，织物1的人体组织模拟液中电场强度在水平方向红色区域较宽，最大为0.001 569 V/m；织物2的人体组织模拟液中电场强度在垂直方向红色区域较宽，最大为0.001 004 V/m；织物3的人体组织模拟液中电场强度在垂直方向和平行方向宽度相当，最大为0.000 127 V/m。即在涤纶纱线方向透过电磁波较多，起屏蔽作用的主要为金属纱线，并且电场强度E织物1＞E织物2＞E织物3，金属纱线垂直电场向量方向时人体组织模拟液中的电场强度大于金属纱线平行电场向量方向时人体组织模拟液中的电场强度。

图6 不同经纬纱的人体组织模拟液中电场强度

在频率300 MHz~3 000 MHz电磁波下，织物厚度0.65 mm屏蔽时，模拟人体组织模拟液表面的电场强度变化，根据公式（1）计算3种情况织物屏蔽效能。结果如图7所示。

图7 不同经纬纱线的织物电磁屏蔽效能

由图7可知，屏蔽效能SE织物1＜SE织物2＜SE织物3，双向织入导电纱线屏蔽效能最高，导电纱线与电场向量方向平行时织物的屏蔽效能要优于导电纱线与电场向量方向垂直时织物的屏蔽效能。当导电纱线与电场向量方向平行时，每个漩涡电场刚好打在连续的导电纱线上，大部分的电磁波被反射和吸收，吸收损耗A和反射损耗R较高，透过到达人体组织模拟液的电磁波较少；而导电纱线与电场向量方向垂直时，每个漩涡电场就会透过缝隙和涤纶，从而导致吸收损耗A和反射损耗R降低，透过织物到达人体组织的电磁波较多。要提高电磁防护织物的屏蔽效能，可以考虑将导电纱线与电场向量方向平行。考虑到穿着柔软性和舒适性等因素，可以采取双层织物，两层织物分别沿经向和纬向织入金属材料纱线，既能减少织物厚度、重量，穿着柔软，又可以增加透气、透湿性能。