基于hfss的電磁輻射屏蔽效能測試仿真研究

基于hfss的電磁輻射屏蔽效能測試仿真研究

今天，輻射射手片的隱形殺手在人類的整個生活和工作環(huán)境中隨處可見，這對人類的健康產(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,強電磁輻射會直接導(dǎo)致孕婦流產(chǎn);在孕中期,電磁輻射可能會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,作為無法脫離電磁輻射環(huán)境的孕婦們,不得不采取一些措施來防護電磁輻射,此時防輻射孕婦服成為孕婦們的首選防護措施。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,還要具有電磁防護性能。目前市場上已經(jīng)有很多防輻射孕婦服,但是它們對電磁輻射的防護性能究竟是怎樣的,人們無從得知。而且,隨著孕期的增長,孕婦體型明顯改變,這會使得防輻射孕婦服下擺開口發(fā)生改變,從而會進一步影響其電磁防護性能,因此,本文通過實驗對防輻射孕婦馬甲的電磁防護性能作了詳細的分析,并且根據(jù)實驗條件建立了電磁防護性能測試仿真模型;在驗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服裝電磁防護性能的影響。1監(jiān)獄對能量的屏蔽效能測試對象為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,市場上防輻射孕婦服上標示的都是所使用織物的屏蔽效能測試數(shù)據(jù),然而防輻射孕婦服是根據(jù)人體設(shè)計制作的,是三維立體的,織物的測試數(shù)據(jù)不能用來表達服裝的電磁防護性能,服裝電磁防護性能的測試也不同于防輻射織物的測試。在測試服裝的屏蔽效能時,需要根據(jù)現(xiàn)實人體所在的電磁輻射環(huán)境,模擬1個人體服裝環(huán)境系統(tǒng),只有在這樣的系統(tǒng)中取得的實驗數(shù)據(jù)才是真實可靠的。因此,根據(jù)GB/T23463—2009《防護服裝微波輻射防護服》測試服裝對電磁波的屏蔽效能(SE),實驗具體設(shè)置如圖2所示。將1個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)部的電場探頭來接收信號,分別得到未穿著樣衣時電磁波的電場強度E2(V/m)和穿著樣衣時電磁波的電場強度E1(V/m),再根據(jù)公式屏蔽效能=20lg(E2/E1)進行計算。測試時,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。通過對2件樣衣在不同頻點屏蔽效能的測試,可得到如表2所示的對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件樣衣對水平極化波的電磁防護性能比對垂直的好。無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,會導(dǎo)致相當(dāng)大的電磁泄漏。所測得的實驗數(shù)據(jù)可用于下一步仿真模型的驗證。2孕婦穿著磁性鐵磁干的性能2.1服裝屏蔽效能測試模型建立為通過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測之間的誤差,在HFSS中建立的三維服裝模型尺寸以實驗中防輻射孕婦服穿著在人體模型上的實際情況為參考,建立1個以人體模型為基礎(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,長軸和短軸的尺寸分別為36、30cm。2.1.2信號天線的模擬在服裝屏蔽效能測試中,低頻和高頻時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,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。服裝屏蔽效能測試是在遠場情況下進行的,因此仿真時只將半波偶極子的遠場數(shù)據(jù)導(dǎo)入作為發(fā)射源,并分垂直極化與水平極化2種情況分別進行討論。實驗中使用三坐標電場探頭作為接收天線,因此在仿真中,輻射源的頻率為300、600MHz時,使用3根互相垂直,長度為55.6mm的單極子模擬接收天線;輻射源的頻率在915、1800、2450、3000MHz時,以長度為100mm的單極子來模擬接收天線。參照實際實驗布置情況,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題時,需要利用吸收邊界條件將問題區(qū)域進行有限截斷,以便能夠用有限元法更準確地進行計算。在HFSS中,輻射邊界是一種模擬波輻射到空間的無限遠處的吸收邊界。服裝屏蔽效能的測試是在半微波暗室中進行的,因此在仿真時,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,受到計算機內(nèi)存資源等條件限制,邊界空氣盒的尺寸不宜過大,一般在主輻射方向上大于電磁波波長的四分之一即可。在進行不同頻點仿真時,需要隨時調(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,驗證無誤后,導(dǎo)入激勵電磁波,開始求解。2.2仿真和實測值對比通過將實測織物本身的電導(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,并將其與之前實際測得的服裝屏蔽效能值(見表2)作對比,分別得到如圖4所示的垂直和水平極化方式下2件樣衣屏蔽效能實測值與仿真值的X-Y散點圖。由圖4可知,2件樣衣屏蔽效能的實測和仿真值均分布在y=x這條線的周圍,說明仿真和實測值相差比較小。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測值,緊靠在y=x這條線的周圍,仿真與實測值的誤差很小,能很好地說明模型的可靠性。水平極化方式下,2件樣衣屏蔽效能的仿真與實測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件樣衣對水平極化波的電磁防護性能比對垂直的要好,這與實測結(jié)果是吻合的。通過EXCEL對樣衣屏蔽效能的實測值和仿真值進行T檢驗,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,說明實測和仿真值沒有顯著性差異。而且,也可得到垂直和水平極化方式下,樣衣屏蔽效能實測和仿真值的相關(guān)系數(shù)分別為0.800、0.747,相關(guān)系數(shù)的絕對值越接近1,相關(guān)越密切,因此,通過該仿真模型所獲得的仿真結(jié)果能夠很好地反映服裝對電磁波的屏蔽效能,即服裝的電磁防護性能,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)變化對電磁防護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服裝電磁防護性能的影響,將整個孕期分為3個階段:孕早期,孕婦身材變化不大,服裝下擺近似為橢圓形,長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,腹凸點上升,此時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,孕婦體型變化對服裝電磁防護性能的影響,如圖5所示。由圖5可知,無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。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,服裝對不同頻率電磁波的屏蔽效能值都非常小,已經(jīng)無法起到防護電磁輻射的作用了。由于孕婦服本身上下開口就比較大,其屏蔽效能值本來就不是很高,防輻射孕婦服對不同頻率電磁波的防護能力是有限的。隨著孕期的增長,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,會導(dǎo)致孕婦服下擺開口更大,此時防輻射孕婦服的屏蔽效能值就更低了,都在5dB以下,幾乎喪失了對孕婦的保護能力,因此,針對電磁波穿透、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。但事與愿違,在進行防輻射孕婦服的設(shè)計與制作時,既要考慮其電磁防護性能,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,使電磁防護的效果達到最佳狀態(tài)。具體來說,市場上防輻射肚兜的結(jié)構(gòu)設(shè)計是很難滿足電磁防護要求的,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。如果孕婦長期工作或生活在電磁輻射很強的環(huán)境中,即使是馬甲款式,雖然相比于肚兜加強了電磁防護性能,但也應(yīng)該適當(dāng)加長衣長和袖子,袖長至少到肘關(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(如運動服的收口結(jié)構(gòu)設(shè)計),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性能。此外,為提高孕婦服的電磁防護性能,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,以抵擋電磁波的強穿透力,當(dāng)然此時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實驗與仿真模擬相結(jié)合,本文對防輻射孕婦服的電磁防護性能進行了詳細的分析,得出以下幾點結(jié)論。1)所選2件防輻射孕婦馬甲是市場上常見的防輻射孕婦服款式,經(jīng)過測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件樣衣對水平極化波的電磁屏蔽效能要比對垂直的好。2)服裝電磁屏蔽效能測試模型的仿真結(jié)果與實測結(jié)果比較一致,說明仿真結(jié)果能夠很好地反映服裝對電磁波的屏蔽效能,即服裝的電磁防護性能,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功能方面的研究。3)通過仿真模型可獲得由于孕婦體型改