基于hfss的電磁輻射屏蔽效能測(cè)試仿真研究

基于hfss的電磁輻射屏蔽效能測(cè)試仿真研究

今天，輻射射手片的隱形殺手在人類的整個(gè)生活和工作環(huán)境中隨處可見，這對(duì)人類的健康產(chǎn)生了一定的損害，尤其是孕婦和胎兒容易受到傷害。在孕早期,強(qiáng)電磁輻射會(huì)直接導(dǎo)致孕婦流產(chǎn);在孕中期,電磁輻射可能會(huì)損傷胎兒的中樞神經(jīng)系統(tǒng),引起智力不全,甚至造成癡呆;在孕晚期,電磁輻射可能會(huì)導(dǎo)致胎兒免疫功能低下,出生后體質(zhì)弱,抵抗力差。然而,作為無(wú)法脫離電磁輻射環(huán)境的孕婦們,不得不采取一些措施來(lái)防護(hù)電磁輻射,此時(shí)防輻射孕婦服成為孕婦們的首選防護(hù)措施。防輻射孕婦服作為一種功能性服裝,不僅要具備孕婦服應(yīng)具備的基本性能,如穿著舒適、透氣性好等,還要具有電磁防護(hù)性能。目前市場(chǎng)上已經(jīng)有很多防輻射孕婦服,但是它們對(duì)電磁輻射的防護(hù)性能究竟是怎樣的,人們無(wú)從得知。而且,隨著孕期的增長(zhǎng),孕婦體型明顯改變,這會(huì)使得防輻射孕婦服下擺開口發(fā)生改變,從而會(huì)進(jìn)一步影響其電磁防護(hù)性能,因此,本文通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)防輻射孕婦馬甲的電磁防護(hù)性能作了詳細(xì)的分析,并且根據(jù)實(shí)驗(yàn)條件建立了電磁防護(hù)性能測(cè)試仿真模型;在驗(yàn)證仿真模型可靠性的基礎(chǔ)上,利用該模型分析了孕婦不同孕期體型變化對(duì)服裝電磁防護(hù)性能的影響。1監(jiān)獄對(duì)能量的屏蔽效能測(cè)試對(duì)象為2件防輻射孕婦馬甲,其款式基本一致,如圖1所示。馬甲使用的織物不同,織物的性能參數(shù)見表1。目前,市場(chǎng)上防輻射孕婦服上標(biāo)示的都是所使用織物的屏蔽效能測(cè)試數(shù)據(jù),然而防輻射孕婦服是根據(jù)人體設(shè)計(jì)制作的,是三維立體的,織物的測(cè)試數(shù)據(jù)不能用來(lái)表達(dá)服裝的電磁防護(hù)性能,服裝電磁防護(hù)性能的測(cè)試也不同于防輻射織物的測(cè)試。在測(cè)試服裝的屏蔽效能時(shí),需要根據(jù)現(xiàn)實(shí)人體所在的電磁輻射環(huán)境,模擬1個(gè)人體服裝環(huán)境系統(tǒng),只有在這樣的系統(tǒng)中取得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)才是真實(shí)可靠的。因此,根據(jù)GB/T23463—2009《防護(hù)服裝微波輻射防護(hù)服》測(cè)試服裝對(duì)電磁波的屏蔽效能(SE),實(shí)驗(yàn)具體設(shè)置如圖2所示。將1個(gè)穿著防輻射孕婦服的人體模型放置于屏蔽室中,由放置于人體模型前端的發(fā)射天線發(fā)射出不同頻率的電磁波,利用安置在人體模型內(nèi)部的電場(chǎng)探頭來(lái)接收信號(hào),分別得到未穿著樣衣時(shí)電磁波的電場(chǎng)強(qiáng)度E2(V/m)和穿著樣衣時(shí)電磁波的電場(chǎng)強(qiáng)度E1(V/m),再根據(jù)公式屏蔽效能=20lg(E2/E1)進(jìn)行計(jì)算。測(cè)試時(shí),發(fā)射天線的擺放位置不同,得到的電磁波的極化方式也不同,可分別得到垂直極化波和水平極化波。通過(guò)對(duì)2件樣衣在不同頻點(diǎn)屏蔽效能的測(cè)試,可得到如表2所示的對(duì)垂直極化波和水平的屏蔽效能。在不同頻率電磁波照射下,2件樣衣對(duì)水平極化波的電磁防護(hù)性能比對(duì)垂直的好。無(wú)論是垂直極化波還是水平極化波,樣衣1的屏蔽效能值比樣衣2要高,其原因是采用銀纖維織物的樣衣1的電導(dǎo)率要比采用不銹鋼纖維織物的樣衣2要高。但是它們的差異性不是很大,這是由于服裝本身的結(jié)構(gòu)因素所決定的,所選的這2件樣衣上下開口都比較大,會(huì)導(dǎo)致相當(dāng)大的電磁泄漏。所測(cè)得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可用于下一步仿真模型的驗(yàn)證。2孕婦穿著磁性鐵磁干的性能2.1服裝屏蔽效能測(cè)試模型建立為通過(guò)仿真手段獲得不同頻率電磁波照射下服裝的屏蔽效能值,需要在仿真軟件HFSS中建立服裝屏蔽效能測(cè)試仿真模型,如圖3所示。主要包括三維服裝模型、天線模型(發(fā)射天線和接收天線)以及邊界和求解設(shè)置。2.1.1維服裝模型的建立為盡可能減小仿真與實(shí)測(cè)之間的誤差,在HFSS中建立的三維服裝模型尺寸以實(shí)驗(yàn)中防輻射孕婦服穿著在人體模型上的實(shí)際情況為參考,建立1個(gè)以人體模型為基礎(chǔ)的三維服裝模型。其中三維服裝模型的高度為68cm,服裝兩側(cè)袖口近似為橢圓形,長(zhǎng)軸和短軸的尺寸分別為20、18cm,前胸與后背開口均為矩形,大小分別為18cm×16cm、18cm×10cm,服裝下擺近似為橢圓形,長(zhǎng)軸和短軸的尺寸分別為36、30cm。2.1.2信號(hào)天線的模擬在服裝屏蔽效能測(cè)試中,低頻和高頻時(shí)分別使用八木天線和喇叭天線作為發(fā)射天線。在HFSS中建立仿真模型時(shí),考慮到模型的復(fù)雜度和內(nèi)存消耗等因素,以半波偶極子天線做為發(fā)射天線。服裝屏蔽效能測(cè)試是在遠(yuǎn)場(chǎng)情況下進(jìn)行的,因此仿真時(shí)只將半波偶極子的遠(yuǎn)場(chǎng)數(shù)據(jù)導(dǎo)入作為發(fā)射源,并分垂直極化與水平極化2種情況分別進(jìn)行討論。實(shí)驗(yàn)中使用三坐標(biāo)電場(chǎng)探頭作為接收天線,因此在仿真中,輻射源的頻率為300、600MHz時(shí),使用3根互相垂直,長(zhǎng)度為55.6mm的單極子模擬接收天線;輻射源的頻率在915、1800、2450、3000MHz時(shí),以長(zhǎng)度為100mm的單極子來(lái)模擬接收天線。參照實(shí)際實(shí)驗(yàn)布置情況,接收天線均放在模型內(nèi)部。2.1.3輻射邊界的建立利用有限元方法求解微波輻射問(wèn)題時(shí),需要利用吸收邊界條件將問(wèn)題區(qū)域進(jìn)行有限截?cái)?以便能夠用有限元法更準(zhǔn)確地進(jìn)行計(jì)算。在HFSS中,輻射邊界是一種模擬波輻射到空間的無(wú)限遠(yuǎn)處的吸收邊界。服裝屏蔽效能的測(cè)試是在半微波暗室中進(jìn)行的,因此在仿真時(shí),將邊界空氣盒的下表面設(shè)為理想導(dǎo)體邊界,模擬地面效果;其他表面均設(shè)為輻射邊界,起到吸波材料的作用。另外,受到計(jì)算機(jī)內(nèi)存資源等條件限制,邊界空氣盒的尺寸不宜過(guò)大,一般在主輻射方向上大于電磁波波長(zhǎng)的四分之一即可。在進(jìn)行不同頻點(diǎn)仿真時(shí),需要隨時(shí)調(diào)整輻射邊界的尺寸。最后建立好所需模型,將樣衣的電磁參數(shù)值和厚度值代入該模型中,驗(yàn)證無(wú)誤后,導(dǎo)入激勵(lì)電磁波,開始求解。2.2仿真和實(shí)測(cè)值對(duì)比通過(guò)將實(shí)測(cè)織物本身的電導(dǎo)率、磁導(dǎo)率(磁導(dǎo)率都為1)和厚度值代入已建好的仿真模型中,可以仿真得到服裝的屏蔽效能值,并將其與之前實(shí)際測(cè)得的服裝屏蔽效能值(見表2)作對(duì)比,分別得到如圖4所示的垂直和水平極化方式下2件樣衣屏蔽效能實(shí)測(cè)值與仿真值的X-Y散點(diǎn)圖。由圖4可知,2件樣衣屏蔽效能的實(shí)測(cè)和仿真值均分布在y=x這條線的周圍,說(shuō)明仿真和實(shí)測(cè)值相差比較小。而且,在垂直極化方式下,2件樣衣屏蔽效能的仿真更接近于實(shí)測(cè)值,緊靠在y=x這條線的周圍,仿真與實(shí)測(cè)值的誤差很小,能很好地說(shuō)明模型的可靠性。水平極化方式下,2件樣衣屏蔽效能的仿真與實(shí)測(cè)值相差要稍微大一些,均勻分布在y=x這條線的周圍,最大誤差為2.74dB。此外還可看出,2件樣衣對(duì)水平極化波的電磁防護(hù)性能比對(duì)垂直的要好,這與實(shí)測(cè)結(jié)果是吻合的。通過(guò)EXCEL對(duì)樣衣屏蔽效能的實(shí)測(cè)值和仿真值進(jìn)行T檢驗(yàn),分別得到垂直和水平極化下t值為0.729、0.697,都小于t0.01(11),則概率P值都大于0.01,說(shuō)明實(shí)測(cè)和仿真值沒(méi)有顯著性差異。而且,也可得到垂直和水平極化方式下,樣衣屏蔽效能實(shí)測(cè)和仿真值的相關(guān)系數(shù)分別為0.800、0.747,相關(guān)系數(shù)的絕對(duì)值越接近1,相關(guān)越密切,因此,通過(guò)該仿真模型所獲得的仿真結(jié)果能夠很好地反映服裝對(duì)電磁波的屏蔽效能,即服裝的電磁防護(hù)性能,從而證明了該模型的可靠性。2.3抗孕產(chǎn)婦服材料的結(jié)構(gòu)變化對(duì)電磁防護(hù)性能的影響利用已建好的仿真模型,改變?nèi)S服裝模型的尺寸,可以仿真得到不同尺寸服裝的屏蔽效能,從而獲得由于孕婦體型改變導(dǎo)致服裝下擺開口尺寸改變后的服裝屏蔽效能。為分析孕婦體型變化對(duì)服裝電磁防護(hù)性能的影響,將整個(gè)孕期分為3個(gè)階段:孕早期,孕婦身材變化不大,服裝下擺近似為橢圓形,長(zhǎng)軸和短軸尺寸分別為36、30cm;孕中期,孕婦體型急劇發(fā)生變化,胸部和腹部突出,腹凸點(diǎn)上升,此時(shí)服裝的下擺近似于圓形,直徑尺寸為40cm;孕后期,與孕中期一樣,服裝下擺呈圓形,其直徑尺寸為43cm。按照要求改變所建立的三維服裝模型之后,其余設(shè)置不變,導(dǎo)入激勵(lì)電磁波,開始求解,可以分別得到當(dāng)電磁波在垂直和水平極化方式下,孕婦體型變化對(duì)服裝電磁防護(hù)性能的影響,如圖5所示。由圖5可知,無(wú)論是在垂直還是在水平極化方式下,從孕早期到孕晚期,孕婦的體型發(fā)生明顯變化,會(huì)直接導(dǎo)致防輻射孕婦服下擺開口增大。隨著下擺開口的增大,服裝的屏蔽效能值呈下降趨勢(shì)。而且到孕晚期,當(dāng)防輻射孕婦服下擺開口增大到一定程度時(shí),服裝對(duì)不同頻率電磁波的屏蔽效能值都非常小,已經(jīng)無(wú)法起到防護(hù)電磁輻射的作用了。由于孕婦服本身上下開口就比較大,其屏蔽效能值本來(lái)就不是很高,防輻射孕婦服對(duì)不同頻率電磁波的防護(hù)能力是有限的。隨著孕期的增長(zhǎng),孕婦的胸部和腹部的急劇增大,尤其是腹部,到孕晚期更是龐大且沉重,會(huì)導(dǎo)致孕婦服下擺開口更大,此時(shí)防輻射孕婦服的屏蔽效能值就更低了,都在5dB以下,幾乎喪失了對(duì)孕婦的保護(hù)能力,因此,針對(duì)電磁波穿透、反射和繞射的特性,最理想的防輻射孕婦服應(yīng)該是全包圍的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。但事與愿違,在進(jìn)行防輻射孕婦服的設(shè)計(jì)與制作時(shí),既要考慮其電磁防護(hù)性能,又要滿足孕婦穿著的舒適性和方便性,防輻射孕婦服不可能是完全封閉的屏蔽體,所以只能盡量減小服裝開口的數(shù)量和面積,減少衣片間接縫處的縫合,提高縫合的緊密度,使電磁防護(hù)的效果達(dá)到最佳狀態(tài)。具體來(lái)說(shuō),市場(chǎng)上防輻射肚兜的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是很難滿足電磁防護(hù)要求的,除非孕婦周圍的電磁輻射很弱,如不接觸或很少接觸一些電器。如果孕婦長(zhǎng)期工作或生活在電磁輻射很強(qiáng)的環(huán)境中,即使是馬甲款式,雖然相比于肚兜加強(qiáng)了電磁防護(hù)性能,但也應(yīng)該適當(dāng)加長(zhǎng)衣長(zhǎng)和袖子,袖長(zhǎng)至少到肘關(guān)節(jié)處,并且領(lǐng)口、袖口和下擺也應(yīng)盡可能收緊,形成O形(如運(yùn)動(dòng)服的收口結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)),這樣才能既適合孕婦體型的變化,又不破壞防輻射孕婦服整體的電磁防護(hù)性能。此外,為提高孕婦服的電磁防護(hù)性能,還可以考慮增加服裝面料的厚度,或采用多層服裝面料搭配的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),以抵擋電磁波的強(qiáng)穿透力,當(dāng)然此時(shí)也要考慮不同面料服用性能的相容性,以保證孕婦穿著的舒適性。3服裝電磁屏蔽效能通過(guò)實(shí)驗(yàn)與仿真模擬相結(jié)合,本文對(duì)防輻射孕婦服的電磁防護(hù)性能進(jìn)行了詳細(xì)的分析,得出以下幾點(diǎn)結(jié)論。1)所選2件防輻射孕婦馬甲是市場(chǎng)上常見的防輻射孕婦服款式,經(jīng)過(guò)測(cè)試得到它們的電磁屏蔽效能。2件樣衣的電磁屏蔽效能都不是很高,主要是由于樣衣的上下開口很大,會(huì)導(dǎo)致相當(dāng)大的電磁泄漏。而且,在不同頻率電磁波照射下,2件樣衣對(duì)水平極化波的電磁屏蔽效能要比對(duì)垂直的好。2)服裝電磁屏蔽效能測(cè)試模型的仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果比較一致,說(shuō)明仿真結(jié)果能夠很好地反映服裝對(duì)電磁波的屏蔽效能,即服裝的電磁防護(hù)性能,從而證明了該模型的可靠性。因此該仿真模型能夠用于電磁輻射防護(hù)功能方面的研究。3)通過(guò)仿真模型可獲得由于孕婦體型改