【摘要】在分析防辐射孕妇服的基础上，通过实验测得2件防辐射孕妇马甲的电磁防护性能，并且根据实验条件利用三维电磁仿真软件Ansofl HFSS建立测试仿真模型，获得服装的屏蔽效能。利用该仿真模型分析了孕妇不同孕期体型变化对服装电磁防护性能的影响。研究结果表明，服装电磁屏蔽效能测试模型的仿真结果与实际测定结果比较一致，该模型能够用于电磁辐射防护功能方面的研究。研究还表明，孕妇体型的急剧变化会直接导致防辐射孕妇服下摆开口增大，随着下摆开口的增大，服装的电磁防护性能呈下降趋势。当防护服下摆开口增大到一定程度时，服装对不同频率电磁波的屏蔽效能值都非常低，已经无法起到防护电磁辐射的作用了。
【关键词】防辐射；孕妇服；屏蔽效能；仿真
【中图分类号】：TS 941．2 文献标志码：A 文章编号：0253-9721(2011)l0-0108-05
如今，电磁辐射这个隐形杀于已经充斥着人们整个的生活和工作环境中，对人体健康产生了一定的危害，尤其是孕妇和胎儿更易受到伤害。在孕早期，强电磁辐射会直接导致孕妇流产；在孕中期，电磁辐射可能会损伤胎儿的中枢神经系统，引起智力不全，甚至造成痴呆；在孕晚期，电磁辐射可能会导致胎儿免疫功能低下，出生后体质弱，抵抗力差[1-3]。然而，作为无法脱离电磁辐射环境的孕妇们，不得不采取一些措施来防护电磁辐射，此时防辐射孕妇服成为孕妇们的首选防护措施。
防辐射孕妇服作为一种功能性服装，不仅要具备孕妇服应具备的基本性能，如穿着舒适、透气性好等，还要具有电磁防护性能。目前市场上已经有很多防辐射孕妇服，但是它们对电磁辐射的防护性能究竟是怎样的，人们无从得知。而且，随着孕期的增长，孕妇体型明显改变，这会使得防辐射孕妇服下摆开口发生改变，从而会进一步影响其电磁防护性能[4]，因此，本文通过实验对防辐射孕妇马甲的电磁防护性能作了详细的分析，并且根据实验条件建立了电磁防护性能测试仿真模型；在验证仿真模型可靠性的基础上，利用该模型分析了孕妇不同孕期体型变化对服装电磁防护性能的影响。
1 电磁防护性能的测试
测试对象为2件防辐射孕妇马甲，其款式基本一致，如图1所示。马甲使用的织物不同，织物的性能参数见表1。
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图1 样衣的款式示意图 |
表1 织物的性能参数
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样衣编号 |
织物成分 |
纱线结构 |
织物组织 |
电导率／(s·m-1) |
织物厚
度／mm |
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1 |
银纤维50％，涤纶50％ |
包芯 |
斜纹 |
7 003 |
0.34 |
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2 |
不锈锕纤维30％,棉60％，涤纶10％ |
混纺 |
平纹 |
304 |
0.56 |
目前，市场上防辐射孕妇服上标示的都是所使用织物的屏蔽效能测试数据，然而防辐射孕妇服是根据人体设计制作的，是三维立体的，织物的测试数据不能用来表达服装的电磁防护性能，服装电磁防护性能的测试也不同于防辐射织物的测试[5-6]。在测试服装的屏蔽效能时，需要根据现实人体所在的电磁辐射环境，模拟1个人体-服装-环境系统，只有在这样的系统中取得的实验数据才是真实可靠的[7]。
因此，根据GB／T 23463-2009《防护服装微波辐射防护服》测试服装对电磁波的屏蔽效能(SE)，实验具体设置如图2所示。将1个穿着防辐射孕妇服的人体模型放置于屏蔽室中，由放置于人体模型前端的发射天线发射出不同频率的电磁波，利用安置在人体模型内部的电场探头来接收信号，分别得到未穿着样衣时电磁波的电场强度E2 (V／m)和穿着样衣时电磁波的电场强度E1 (V／m)，再根据公式屏蔽效能=20 lg(E2／E1 )进行计算。
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图2 服装屏蔽效能测试室 |
测试时，发射天线的摆放位置不同，得到的电磁波的极化方式也不同，可分别得到垂直极化波和水平极化波。通过对2件样衣在不同频点屏蔽效能的测试，可得到如表2所示的对垂直极化波和水平的屏蔽效能。
表2 样衣对垂直和水平极化波的屏蔽效能
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频率／MHz |
屏蔽效能／dB |
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垂直极化波 |
水平极化波 |
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样衣1 |
样衣2 |
样衣1 |
样衣2 |
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300 |
2.17 |
2.12 |
9.41 |
8.46 |
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600 |
5.63 |
5.04 |
6.83 |
6.40 |
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915 |
6.96 |
6.70 |
5.76 |
6.27 |
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1800 |
4.70 |
4.13 |
10.12 |
10.39 |
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2450 |
3.80 |
3.62 |
10.95 |
9.32 |
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3000 |
2.42 |
2.10 |
9.80 |
8.90 |
在不同频率电磁波照射下，2件样衣对水平极化波的电磁防护性能比对垂直的好。无论是垂直极化波还是水平极化波，样衣1的屏蔽效能值比样衣2要高，其原因是采用银纤维织物的样衣1的电导率要比采用不锈钢纤维织物的样衣2要高。但是它们的差异性不是很大，这是由于服装本身的结构因素所决定的，所选的这2件样衣上下开口都比较大,会导致相当大的电磁泄漏。所测得的实验数据可用于下一步仿真模型的验证。
2 防辐射孕妇服电磁防护性能的仿真
2．1 仿真模型的建立
为通过仿真手段获得不同频率电磁波照射下服装的屏蔽效能值，需要在仿真软件HFSS -9 7中建立服装屏蔽效能测试仿真模型，如图3所示。主要包括三维服装模型、天线模型(发射天线和接收天线)以及边界和求解设置。
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图3 服装屏蔽效能测试仿真模型 |
2．1．1 三维服装模型的建立
为尽可能减小仿真与实测之间的误差，在HFSS中建立的三维服装模型尺寸以实验中防辐射孕妇服穿着在人体模型上的实际情况为参考，建立1个以人体模型为基础的三维服装模型。其中三维服装模型的高度为68 cm，服装两侧袖口近似为椭圆形，长轴和短轴的尺寸分别为20、1 8 cm，前胸与后背开口均为矩形，大小分别为18 cm×16 cm、18 cm×10 cm，服装下摆近似为椭圆形，长轴和短轴的尺寸分别为36、30 cm。
2．1．2 天线模型的建立
在服装屏蔽效能测试中，低频和高频时分别使用八木天线和喇叭天线作为发射天线。在HFSS中建立仿真模型时，考虑到模型的复杂度和内存消耗等因素，以半波偶极子天线做为发射天线。服装屏蔽效能测试是在远场情况下进行的，因此仿真时只将半波偶极子的远场数据导入作为发射源，并分垂直极化与水平极化2种情况分别进行讨论。
实验中使用三坐标电场探头作为接收天线，因此在仿真中，辐射源的频率为300、600 MHz时，使用3根互相垂直，长度为55．6 mm的单极子模拟接收天线；辐射源的频率在915、1 800、2 450、3 000 MHz时，以长度为100 mm的单极子来模拟接收天线。参照实际实验布置情况，接收天线均放在模型内部。
2．1．3 边界和求解设置
利用有限元方法求解微波辐射问题时，需要利用吸收边界条件将问题区域进行有限截断，以便能够用有限元法更准确地进行计算。在HFSS中，辐射边界是一种模拟波辐射到空问的无限远处的吸收边界。服装屏蔽效能的测试是在半微波暗室中进行的，因此在仿真时，将边界空气盒的下表面设为理想导体边界，模拟地面效果；其他表面均设为辐射边界，起到吸波材料的作用。
另外，受到计算机内存资源等条件限制，边界空气盒的尺寸不宜过大，一般在主辐射方向上大于电磁波波长的四分之一即可。在进行不同频点仿真时，需要随时调整辐射边界的尺寸。最后建立好所需模型，将样衣的电磁参数值和厚度值代入该模型中，验证无误后，导入激励电磁波，开始求解。
2．2 仿真模型的验证
通过将实测织物本身的电导率、磁导率(磁导率都为1)和厚度值代入已建好的仿真模型中，可以仿真得到服装的屏蔽效能值，并将其与之前实际测得的服装屏蔽效能值(见表2)作对比，分别得到如图4所示的垂直和水平极化方式下2件样衣屏蔽效能实测值与仿真值的 X-Y散点图。
由图4可知，2件样衣屏蔽效能的实测和仿真值均分布在Y=X 这条线的周围，说明仿真和实测值相差比较小。而且，在垂直极化方式下，2件样衣屏蔽效能的仿真更接近于实测值，紧靠在Y=X 这条线的周围，仿真与实测值的误差很小，能很好地说明模型的可靠性。水平极化方式下，2件样衣屏蔽效能的仿真与实测值相差要稍微大一些，均匀分布在Y=X 这条线的周围，最大误差为2．74 dB。此外还可看出，2件样衣对水平极化波的电磁防护性能比对垂直的要好，这与实测结果是吻合的。
通过EXCEL对样衣屏蔽效能的实测值和仿真值进行，检验，分别得到垂直和水平极化下t值为0．729、0．697，都小于t 0.01(11)，则概率P值都大于0.01，说明实测和仿真值没有显著性差异。而且，也可得到垂直和水平极化方式下，样衣屏蔽效能实测和仿真值的相关系数分别为0．800、0．747，相关系
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图4 sE仿真值与实测值的X–Y散点图 |
数的绝对值越接近1，相关越密切，因此，通过该仿真模型所获得的仿真结果能够很好地反映服装对电磁波的屏蔽效能，即服装的电磁防护性能，从而证明了该模型的可靠性。
2．3 仿真模型的应用
利用已建好的仿真模型，改变三维服装模型的尺寸，可以仿真得到不同尺寸服装的屏蔽效能，从而获得由于孕妇体型改变导致服装下摆开口尺寸改变后的服装屏蔽效能。
为分析孕妇体型变化对服装电磁防护性能的影响，将整个孕期分为3个阶段：孕早期，孕妇身材变化不大，服装下摆近似为椭圆形，长轴和短轴尺寸分别为36、30 cm；孕中期，孕妇体型急剧发生变化，胸部和腹部突出，腹凸点上升，此时服装的下摆近似于圆形，直径尺寸为40 cm；孕后期，与孕中期一样，服装下摆呈圆形，其直径尺寸为43 cm。按照要求改变所建立的三维服装模型之后，其余设置不变，导入激励电磁波，开始求解，可以分别得到当电磁波在垂直和水平极化方式下，孕妇体型变化对服装电磁防护性能的影响，如图5所示。
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图5 孕妇体型对屏蔽效能的影响 |
由图5可知，无论是在垂直还是在水平极化方式下，从孕早期到孕晚期，孕妇的体型发生明显变化，会直接导致防辐射孕妇服下摆开口增大。随着下摆开口的增大，服装的屏蔽效能值呈下降趋势。而且到孕晚期，当防辐射孕妇服下摆开口增大到一定程度时，服装对不同频率电磁波的屏蔽效能值都非常小，已经无法起到防护电磁辐射的作用了。
由于孕妇服本身上下开口就比较大，其屏蔽效能值本来就不是很高，防辐射孕妇服对不同频率电磁波的防护能力是有限的。随着孕期的增长，孕妇的胸部和腹部的急剧增大，尤其是腹部，到孕晚期更是庞大且沉重，会导致孕妇服下摆开口更大，此时防辐射孕妇服的屏蔽效能值就更低了，都在5 dB以下，几乎丧失了对孕妇的保护能力，因此，针对电磁波穿透、反射和绕射的特性，最理想的防辐射孕妇服应该是全包围的结构设计。但事与愿违，在进行防辐射孕妇服的设计与制作时，既要考虑其电磁防护性能，又要满足孕妇穿着的舒适性和方便性，防辐射孕妇服不可能是完全封闭的屏蔽体，所以只能尽量减小服装开口的数量和面积，减少衣片间接缝处的缝合，提高缝合的紧密度，使电磁防护的效果达到最佳状态。
具体来说，市场上防辐射肚兜的结构设计是很难满足电磁防护要求的，除非孕妇周围的电磁辐射很弱，如不接触或很少接触一些电器。如果孕妇长期工作或生活在电磁辐射很强的环境中，即使是马甲款式，虽然相比于肚兜加强了电磁防护性能，但也应该适当加长衣长和袖子，袖长至少到肘关节处，并且领口、袖口和下摆也应尽可能收紧，形成O形(如运动服的收口结构设计)，这样才能既适合孕妇体型的变化，又不破坏防辐射孕妇服整体的电磁防护性能。此外，为提高孕妇服的电磁防护性能，还可以考虑增加服装面料的厚度，或采用多层服装面料搭配的结构设计，以抵挡电磁波的强穿透力，当然此时也要考虑不同面料服用性能的相容性，以保证孕妇穿着的舒适性。
3 结论
通过实验与仿真模拟相结合，本文对防辐射孕妇服的电磁防护性能进行了详细的分析，得出以下几点结论。
(1)所选2件防辐射孕妇马甲是市场上常见的防辐射孕妇服款式，经过测试得到它们的电磁屏蔽效能。2件样衣的电磁屏蔽效能都不是很高，主要是由于样衣的上下开口很大，会导致相当大的电磁泄漏。而且，在不同频率电磁波照射下，2件样衣对水平极化波的电磁屏蔽效能要比对垂直的好。
(2)服装电磁屏蔽效能测试模型的仿真结果与实测结果比较一致，说明仿真结果能够很好地反映服装对电磁波的屏蔽效能，即服装的电磁防护性能，从而证明了该模型的可靠性。因此该仿真模型能够用于电磁辐射防护功能方面的研究。
(3)通过仿真模型可获得由于孕妇体型改变导致服装下摆开口尺寸改变后服装的电磁屏蔽效能。随着下摆开口的增大，服装的电磁屏蔽效能呈下降趋势。而且到孕晚期，当防护服的下摆开口增大到一定程度时，服装对不同频率电磁波的屏蔽效能值都非常小，已经起不钊防护电磁辐射，保护孕妇和胎儿的作用了。因此，在设计防辐射孕妇服时，为不破坏服装的电磁防护性能，应该考虑适当加长衣长和袖长，并尽可能收紧领口、袖口和下摆；还可考虑增加面料厚度，或采用多层服装面料搭配的结构设计来增强防辐射孕妇服的电磁防护性能。
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