服装结构设计对电磁屏蔽效能的影响

刘亚琼,李 楠,李 雯,王利君,c

(浙江理工大学, a.浙江省服装工程技术研究中心；b.服装学院；c.丝绸文化传承与产品设计数字化技术文化和旅游部重点实验室，杭州 310018)

现如今电磁辐射几乎已经遍布人们生活的各个角落，对人体健康造成不良影响。研究表明防电磁辐射服用产品可对人体进行有效防护[1-2]。现有诸多学者[3-6]从织物角度出发，通过改变织物相关参数或者通过涂覆导电层的方法探究织物的最佳屏蔽效能。人体是三维曲面结构，考虑到人体活动自由度及服用舒适性，服装难免会出现开口以及孔缝，从而破坏面料的整体性，极易造成电磁波泄露，故电磁屏蔽织物的研究结论不能直接运用到电磁屏蔽服装中。在学者对服装的电磁屏蔽效能相关研究中，如王春燕[7]设计不同大小的孔洞，探究其对服装屏蔽效能影响，结果表明当孔洞面积不断增大，服装屏蔽效能呈显著下降趋势，且当孔洞面积超过一定范围，服装会失去有效防护作用。Chen等[8]设计不同款式衣领，探究领型对屏蔽效能的影响规律，为电磁防护服装设计提供一定参考作用；刘哲等[9]在控制领围尺寸的基础上设计不同领型，研究发现结构设计较复杂的领型屏蔽效能更好，如翻领和立领的服装屏蔽效能高于圆领的；田宏等[10]研究了袖口对服装袖部区域屏蔽效能的影响，发现围度较小、褶皱较多、松紧式袖口的袖子屏蔽效果相对较佳；伏广伟等[11]对男式西装门襟开口面积与屏蔽效能的关系进行探究，得出西装暴露面积越大，屏蔽效果越差，且随着电磁波频率增大，不同开口面积造成的屏蔽效能差值有逐渐变大的趋势。这些学者均从单一的服装部位入手，研究其结构设计与服装屏蔽效能之间的关系，缺乏对服装多部位结构的研究及结构设计与服装屏蔽效能定量关系的分析。

因此，本文从服装整体结构设计角度出发，选取常见的防辐射织物(不锈钢纤维混纺织物)和不同结构设计因素制作女装样衣，探究多因素结构设计对服装电磁屏蔽效能的影响，建立服装电磁屏蔽效能的预测模型并验证其有效性。

1 实 验

1.1 面料选取

选取市场上常见的不锈钢纤维混纺织物，其具有电磁屏蔽效能高，耐磨耐洗，性价比高的特点[12-13]，织物规格见表1。

表1 织物规格Tab.1 Fabric specifications

1.2 服装结构设计方案

由于孔洞面积和缝隙尺寸对服装屏蔽效能具有显著影响，实验样衣应满足减少开口数量及减少暴露面积的款式要求，综合考虑后选取日本文化式女装原型为基础款式，并根据实验要求进行样衣结构设计，原型款式如图1所示。

图1 原型款式Fig.1 The prototype style

衣领、下摆围、衣长、袖长作为服装必不可少的结构设计因素，在满足服用性能的同时也应注意对服装整体电磁屏蔽效能的影响。因此本文选取这4个服装结构设计因素，采用正交表L9(34)设计4因素3水平实验方案，其中衣领选择常见的无领、立领和翻领结构(衣领领圈弧线相等，立领和翻领的领座高度相等)；下摆围以8 cm为区间设置代表合体、较宽松及宽松结构的3种围度；袖长以人台可脱卸手臂尺寸为基准设置无袖、短袖及长袖尺寸；以人台臀围线为基准，设置衣长水平，分别为48、56 cm(人台肩点到臀围线长度)和64 cm。因素水平表见表2，正交实验方案见表3。

表2 结构设计因素水平表Tab.2 Structural design factor horizontal table

表3 正交实验方案Tab.3 Orthogonal experimental plan

根据表2、表3在女装原型结构基础上进行实验样衣结构设计，并根据结构设计图制作9件不同款式的实验样衣，样衣缝制均采用涤纶短纤维缝纫线、12号机针，线迹密度18针/3 cm，平缝的方式。结构设计图如图2所示，样衣款式图及编号如图3所示。

图2 结构设计Fig.2 Structural design

图3 样衣款式及编号Fig.3 Sample styles and numbers

1.3 服装电磁屏蔽效能测试

服装电磁屏蔽效能的测试采用屏蔽室法[14]，其中屏蔽室又称半电波暗室。

1.3.1 测试设备

R&S SMB100A微波信号发生器(发射频率为9 kHz～3.2 GHz，罗德与施瓦茨公司)、R&S SFL3频谱分析仪(可分析9 kHz～3 GHz辐射量，罗德与施瓦茨公司)、QJSJ8008000喇叭天线(主要应用于900GHz及以下的辐射量，南京群嘉有限公司)、偶电子天线(探头长为8 cm，深圳杰纳斯科技有限公司)，实验测试设备如图4所示。

图4 实验测试设备Fig.4 Experimental test equipment

1.3.2 电磁波频率选取

生活中人们常接触到的电子设备、网络信号的频段主要为300～2500 MHz，为保证实验精确性，本文选取测量频率为300～2750 MHz，测量频点为间隔350 MHz的8个均匀频点。

哎，小孙啊，你不要紧张嘛！周书记仰起了头，你夫人颖春在信中向我强力推荐你，说你是个难得的人才，不但具有业务能力而且又具有组织能力，是个可以让领导放心、让单位安心、让百姓称心的人，建议我们县委、政府要重用你……周书记说到这里又把话停住了。

1.3.3 测试方法设计

为了使实验测试更加精确，本文基于GB/T 12190-2006《电磁屏蔽室屏蔽效能的测量方法》，设计新的测试部位、辐射源方向以及辐射距离。

由于胸部、腹部包含人体众多器官，需要重点防护，此外颈部、肩部靠近服装开口部位，易使电磁波进入人体，也需要重点研究，因此实验中电磁辐射测试部位选取胸部、腹部、颈部、肩部，如图5所示。

图5 部位测试点Fig.5 Part test points

在自然环境中，电磁波向空间任意方向传播，实验为了更好模拟真实环境，在测试人台的正前方、正上方及侧方设置电磁波辐射源。根据电磁屏蔽理论[15]，当物体与电磁波发射源的距离小于λ/2π时，电磁辐射场为近场，当距离大于λ/2π时为远场，当距离等于λ/2π时为过渡区。只有在频率较低时，辐射主要发生在近场，随着频率增高，电磁场趋于远场辐射，因此实验应在远场环境中进行。本文测试频点最小为300 MHz，根据公式

f=c/λ

(1)

λ=2πr

(2)

式中：f为频率，Hz；c为光速，km/s；λ为波长，m。

计算可得过渡区距离为0.16 m，即当r>0.16 m 时，实验测试过程均处于远场环境中，此外基于GB/T 12190-2006《电磁屏蔽室屏蔽效能的测量方法》中要求发射天线与接收天线距离不小于1 m，因此本实验选定辐射距离为1 m。

综合上述分析，本实验借助屏蔽室法，以人台腹突点向上8 cm为坐标原点，分别在坐标原点的X、Y、Z轴正方向1 m处设置辐射源进行测试，辐射源发射方向如图6所示，服装电磁屏蔽效能测试系统如图7所示。

图6 辐射源发射方向Fig.6 Radiation source emission directions

图7 服装屏蔽效能测试系统Fig.7 Clothing electromagnetic shielding efficiency test system

1.3.4 测试结果计算

SE整体=(SE胸部+SE腹部+SE颈部+SE肩部)/4

(3)

式中：SE整体表示样衣整体屏蔽值，dB；SE胸部、SE腹部、SE颈部、SE肩部分别表示待测部位在X、Y、Z轴方向上屏蔽效能的均值，dB。

SEi=(SEix+SEiy+SEiz)/3

(4)

式中：i=1、2、3、4，分别代表胸部、腹部、颈部、肩部。

2 结果与分析

2.1 正交实验分析

对服装不同部位进行电磁屏蔽效能测试，计算结果如表4所示，表中K1、K2、K3分别代表在第1、2、3水平下，对应因素的实验结果总和，R为极差，表示各因素不同水平之间最大值与最小值的差异情况。

由表4可知，RD>RC>RB>RA，即在4个结构因素中，影响程度最大的部位结构为衣长，其次是袖长。其原因为相较衣领和下摆围而言，衣长和袖长的结构变化对服装暴露面积影响更大，而暴露面积是影响服装屏蔽效能的重要因素[16]，因此衣长和袖长对电磁屏蔽效能影响程度更大。

表4 样衣屏蔽效能测试及正交计算结果Tab.4 Sample shielding efficiency test and orthogonal results

2.2 方差分析

对4个结构因素测试结果做方差分析，选择纺织服装行业常用的F0.05、F0.01进行显著性检验[17]。分析结果如表5所示。

表5 结构设计因素方差分析Tab.5 Structural design factor variance analysis

由表5可知，衣领(A)、下摆围(B)、袖长(C)、衣长(D)显著性均小于显著性水平0.01，即对服装屏蔽效能均具有显著性影响，此外各因素的F值与F0.01值相较，衣长F值与F0.01值相差最大，次之，袖长，因此衣长、袖长的影响性较为显著。

综上所述，从对服装电磁屏蔽效能影响程度的大小来说，4个结构设计因素中，衣长、袖长大于衣领、下摆围。因此在选择防电磁辐射服装时，应更注重衣长、袖长的结构设计。

2.3 模型构建

为获取结构设计与服装电磁屏蔽效能之间的定量关系，对屏蔽效能影响显著的4个结构设计因素进行初步拟合回归分析，模型有效性检验表明回归方程无统计意义，故剔除影响程度最小的衣领结构因素后重新建模，有效预测模型如表6所示。

由表6可得预测模型为：

表6 服装屏蔽效能预测模型Tab.6 Clothing shielding effect prediction model

SE=-24.002+0.070B+0.070C+0.464D

(5)

式中：SE表示服装电磁屏蔽效能，dB；B表示下摆围，cm；C表示袖长，cm；D表示衣长，cm。

一般判定模型好坏的指标为R2，R2越接近1，表明拟合优度越高，当R2>0.7时，方程才具有实际参考意义[18]。该预测模型的调整系数R2为0.938>0.7，因此该预测模型拟合较优，具有一定的预测性和实际意义。

2.4 模型验证

为检验模型的预测性，选取无领款式及任意参数的下摆围、袖长及衣长制作4件样衣，样衣的结构设计参数见表7，将测试的服装电磁屏蔽效能实际值与预测值比较，对比结果如图8所示。

表7 检验样衣结构设计参数Tab.7 Test sample structure design parameters

图8 屏蔽效能实际值与预测值对比Fig.8 Shielding efficiency actual value and predictive value

由图8可知，检验样衣实际测试值与模型预测值相差不大，两者的相对误差均值为7.05%，精准度为92.95%，因此该模型具有较好的预测性，为建立服装屏蔽效能与结构设计的定量关系提供了参考价值。

3 结 论

本文针对衣领结构、下摆围、袖长和衣长4个服装结构因素设计实验方案并制作样衣，基于屏蔽室法设计实验服装屏蔽效能测试方法并对其屏蔽效能进行测试，探究不同结构因素对屏蔽效能的影响水平以及它们之间的具体关系，得出以下结论：

a)4个结构设计因素均对服装电磁屏蔽效能具有显著影响，衣长、袖长尤为显著。服装屏蔽效能随衣长、袖长的增加而明显提高，因此在选择防电磁辐射服装时应更加注重衣长、袖长的结构设计。

b)通过多元线性回归分析，剔除影响程度最小的衣领结构因素，建立了结构设计因素与服装电磁屏蔽效能之间的关系预测模型，模型为SE=-24.002+0.070B+0.070C+0.464D。