（服装设计与工程专业论文）防电磁辐射服装屏蔽机理研究及建模.pdf

s h i e l d i n gm e c h a n i s m a n dm o d e lo fe l e c t r o m a g n e t i c r a d i a t i o ns h i e l d i n gc l o t h i n g i nt h i sp a p e r ，c o m b i n i n gt h es t r u c t u r ec h a r a c t e r i s t i co fg a r m e n t ，t h es h i e l d i n g m e c h a n i s mo ft h ee l e c t r o m a g n e t i cr a d i a t i o ns h i e l d i n gc l o t h i n gh a sa n a l y z e d t h e t h e o r ym o d e lo ft h ee l e c t r o m a g n e t i cr a d i a t i o ns h i e l d i n gc l o t h i n gh a ss e tu p am e t h o d t o t e s tt h ee l e c t r o m a g n e t i cs h i e l d i n gc l o t h i n gh a sp u tf o r w a r d ，t h i sm e t h o di ss e tu p a c c o r d i n gw i t ht h es y s t e mo fh u m a n ，g a r m e n ta n de n v i r o n m e n t b ye x p e r i m e n t a l a n a l y s i s ，t h ef a c t o rs i g n i f i c a n c et h a ti n f l u e n c i n gt h ec l o t h i n gs h i e l d i n ge f f e c t i v e n e s s h a sv a l i d a t e d ar e g r e s s i o nm o d e lo ft h ec l o t h i n gs h i e l d i n ge f f e c t i v e n e s sh a ss e tu p t h i ss u b j e c tr e s e a r c ha i m sa tp r o p o s i n gt h em e t h o da n dp u t t i n gu pt h et h e o r y m o d e lt o t e s tt h ee l e c t r o m a g n e t i cr a d i a t i o ns h i e l d i n gc l o t h i n g ，a n do f f e r i n gs c i e n t i f i c b a s i sf o ra p p r a i s i n gt h ee l e c t r o m a g n e t i cr a d i a t i o ns h i e l d i n gc l o t h i n g i nt h i st h e s i s ，t h em a i nc o n e n t sa r ea sf o l l o w s ： f i r s t l y , t h ec h a r a c t e r i s t i co fe l e c t r o m a g n e t i cw a v ea n dt h eh a r mo nh u m a nb o d y h a v er e s e a r c h e d a i m i n ga tt h ew e a kp o i n to fc l o t h i n gs h i e l d i n ge f f i c i e n c ya p p r a i s i n gm e t h o d a tp r e s e n t ，t h ea p p r a i s i n gm e t h o di st h a tt h ec l o t h i n gs h i e l d i n ge f f i c i e n c yi sr e p l a c e db yf a b r i c ，t h e t h i n k i n go fq u a n t i t a t i v er e s e a r c ho fr e l a t i o nf a c t o ro ne l e c t r o m a g n e t i ce n v i r o n m e n t ， c l o t h i n g ，a n dh u m a nb o d ys y s t e mh a sp u tf o r w a r d s t a r t i n gf r o mg a r m e n ts t r u c t u r a l d e s i g n i n g ，f a b r i cs e l e c t i n g ，a n da i m i n ga tt h ed i f f e r e n t r a d i a t i o ne n v i r o n m e n t s ，t h e p r o t e c t i n go f d i f f e r e n tp o s i t i o no nh u m a nb o d yh a sr e a l i z e d s e c o n d l y , t h es h i e l d i n gm e c h a n i s mo ft h ee l e c t r o m a g n e t i cs h i e l d i n gc l o t h i n gh a s s t u d i e de m p h a t i c a l l y i te x p o u n d e dt h a tt h em a i ns h i e l d i n gm e c h a n i s mo ft h e e l e c t r o m a g n e t i cs h i e l d i n gc l o t h i n ga r er e f l e c t i n gm e c h a n i s m ，a b s o r b i n gm e c h a n i s m a n dr e f l e c t sm a n yt i m e sm e c h a n i s m a c c o r d i n gw i t ht h es h i e l d i n gm e c h a n i s m ，t h e t h e o r ym o d e l h a sd e r i v e d ，a n dt h em a i nf a c t o r sw h i c hi n f l u e n c i n gt h es h i e l d i n g e f f e c t i v e n e s so ft h ec l o t h i n gh a v ep u tf o r w a r d a c c o r d i n gt ot h e s ef a c t o r s ，t h e r e q u i r e m e n tf o rd e v e l o p i n ga n dd e s i g n i n gs h i e l d i n gc l o t h i n gh a sp u tf o r w a r d ，a n dh a s a p p l i e dt ot h i sk i n do fc l o t h e s - m o r e o v e r , p r e s e n ts h i e l d i n gt e s tt e c h n o l o g yh a v ea n a l y z e da n dc o m p a r e d a m e t h o dt ot e s tt h ee l e c t r o m a g n e t i cs h i e l d i n gc l o t h i n gh a sp u tf o r w a r d ，t h i sm e t h o di s s e tu pa c c o r d i n gw i t ht h es y s t e mo fh u m a n ，g a r m e n ta n de n v i r o n m e n t ，w h i c hi sc l o t h e s d u m m ye n c l o s u r et e s t i n gm e t h o d b e c a u s eo ft h es u b j e c tc o n d i t i o nl i m i t ，s o m ef e a s i b l e m e a n sh a v es e l e c t e d ，t h ee x p e r i m e n tt h a ti n c l u d e ss o m ee x p e r i m e n t a lf a c t o r sh a s d e s i g n t h ea n o v aa n a l y s i st o t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l th a sc a r r i e do n ，a n dt h e i n f l u e n c i n gf a c t o rs i g n i f i c a n c ei nt h et h e o r ym o d e lh a sv a l i d a t e d t h e ya r et h er a d i a n t f r e q u e n c y , c l o t h i n gf a b r i c ，t h ed i s t a n c e sb e t w e e nc l o t h i n ga n dr a d i a n t ，c h i n ks i z e so f c l o t h i n g ，c l o t h i n gh o l ea r e a ，c l o t h i n gt h i c k n e s s b ym u l t i p l er e g r e s s i o na n a l y s i s ，a r e g r e s s i o nm o d e lo ft h ee l e c t r o m a g n e t i cs h i e l d i n gc l o t h i n gh a sc a r r i e do n t h e c o m p a r a t i v ea n a l y s i st ot h er e g r e s s i o nm o d e la n dt h e o r ym o d e lh a sc a r r i e do na n dt h e t h e o r ym o d e lh a sv e r i f i e d f i n a l l y , t h ef u t u r ed e v e l o p m e n tt r e n da n dd e v e l o p m e n ta n da p p r a i s a lm e t h o do f t h e e l e c t r o m a g n e t i cs h i e l d i n gc l o t h i n gh a v ee x p e c t a t e d w a n gx i u - t h e nr f a s h i o nd e s i g n & e n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f e s s o rz h a n gx i n k e y w o r d s ：e l e c t r o m a g n e t i c r a d i a t i o n s h i e l d i n gc l o t h i n g ，s h i e l d i n gm e c h a n i s m ， g a r m e n ts t r u c t u r e ，m o d e l ，t e s t i n gm e t h o d 第1 章绪论 1 绪论 1 1 防电磁辐射服装研究和开发的意义 早在1 9 7 2 年，联合国人类环境会议就将电磁辐射污染的治理列入环境保护的 重点项目，将其列为公害。然而对于电磁辐射的危害，尤其是对人类自身健康的 影响历来都是一个很有争议的话题。有科学家认为：电磁辐射可对人体造成多 种危害，如头痛、头昏、失眠、多梦、乏力、心悸等。但是也有的专家研究证明： 电磁辐射对人体是无害的，反而还会增强智力和记忆力等。但是迄今大多数的研 究认为：多量的电磁辐射对人体是会造成不良影响的。如1 9 7 6 年苏联为了监听美 国驻苏联使馆的通讯情况，向使馆发射微波，使馆工作人员长期处于微波环境中， 结果造成使馆内接受体检的3 1 3 人中6 4 人淋巴细胞平均数超出正常范围的4 4 ， 有i 5 人患腮腺癌。1 。 一份由l l 位美国电磁场学专家历经9 年完成的关于电磁场对人体健康影响的 报告指出0 1 ：数以百万计的人由于长期暴露于来自电缆和家用电器的电磁辐射中， 所面临的患癌症和其他退化性疾病的几率正在增加，高频电磁波对生物肌体细胞、 人体神经系统、循环系统、免疫生殖和代谢功能具有极强的辐射伤害，对公众身 体有着长期潜在的威胁和影响，对家用电器、医疗设备、军事设施、航空的强干 扰甚至还会造成灾难性后果。还有一美国科学家研究小组在1 9 9 9 年的一项研究表 明。1 ：每天接受2 小时电磁辐射的小白老鼠大脑思维出现混乱，不能准确辨别方 向。 早在十几年前，美国科学家就有人大声疾呼：电磁波干扰、电磁泄漏、电磁 波污染、电磁波危害已成为社会的一大公害。美国国会技术评价局( o t a ) 在1 9 8 9 年的年度报告中强调指出。1 ：输电线路、配电及家电都能释放大量的电磁波。据 专家称“1 ：电磁波辐射剂量达2 毫高斯( r a g ) 以上时，婴幼儿白血病发病率增加 i 5 - 2 1 倍。 台湾“劳委会”的统计结果表明0 1 ：女性如果长期使用电脑，会增加患乳癌 的机会，而停经前的电脑工作者，又比停经后的电脑工作者患乳癌的几率高；长 期与电脑工作有关的女性，比一般非电脑工作人员患乳癌的危险性要高出4 3 。 世界卫生组织认为“1 ：计算机、显示器、打印机、电视机、移动电话、微波炉等 发出的电磁辐射对胎儿产生极为有害的影响。 第1 章绪论 环境科学家预言，到2 1 世纪电磁污染将代替噪声污染成为首屈一指的物理污 染因素。1 9 9 9 年5 月7 日，中国国家环保总局正式通报新闻界”3 ：随着各类电器 设备特别是电脑的普及应用，电磁辐射污染已成为继大气污染、水污染和噪声污 染之后的第四大公害。应该采取有效防护措施，避免和减少电磁辐射对人类健康 的影响。中国消费者协会8 月6 日发布1 9 9 9 年第9 号消费警示“1 ：日常生活须防 电磁辐射。2 0 0 0 年国家经贸委印发劳动防护用品配备标准( 试行) ，并将辐射 用品列为部分工种的必备防护用品，规定国防、航天、通讯、广播、电视、导航、 科研、医疗、计算机等领域的工作服必须符合防辐射要求。 综上所述，随着人类对自身健康关注程度的不断提高与对电磁辐射认识的深 入，其危害的研究及如何防护已越来越受到人们的重视。所以无论是生活还是工 作在电磁辐射环境下的人员，防护是非常重要的。防电磁辐射服装就是应保护人 体，屏蔽辐射环境下的电磁辐射的要求而生的功能性服装。 而目前的屏蔽服上所标出的屏蔽效能，多数是指屏蔽织物的屏蔽效能。因为 服装有其特殊的结构特点，防电磁辐射服的屏蔽效能和织物的屏蔽效能是否相等， 还有待于研究证实。另一方面，目前市场上的这些防电磁辐射产品是通过不同测 试方法进行测试，而测试仪器又不同，测试方法也各异，这样同样的织物的测试 结果也就大不相同了。因此，从人体一服装一环境系统出发，研究防电磁辐射服装 的屏蔽机理是有应用和理论研究的意义，建立防电磁辐射服装的测试和评价方法， 为消费者推荐真正的防电磁辐射服装，是有重要的应用价值和社会意义。 1 2 防电磁辐射服装研究的国内外现状 1 2 1 国外研究现状 国外一些国家对电磁辐射知识的了解和认识及对防护措施的实施相对来说要 早于国内。英国、日本、加拿大、瑞典、美国、德国、法国、韩国等发达国家从 2 0 世纪3 0 年代就开始进行特种防护服装与织物的研究”1 。6 0 年代国际上制定出 电磁辐射防护标准后，电磁辐射屏蔽材料随之出现。最早的防护材料是金属丝和 天然纤维混编织物，其后出现了金属纤维混纺织物、电镀织物、化学镀膜织物等。 但以上材料均以反射为主，存在环境二次污染( 即材料反射过来的电磁波，又会 成为电磁辐射源，对其周围环境造成辐射污染) ”1 。 到了8 0 年代，美国北美航空公司研制成功防止雷达探测被发现的防护衣和头 盔，这种防护衣与头盔由微波吸收材料制作，适用于防护电磁辐射“3 。日本等国 2 第l 章绪论 研究开发了不锈钢软化纤维与植物纤维混纺织成的屏蔽织物，用在微波防护上， 比如雷达防护服等。8 0 年代后期到9 0 年代初期，英国、法国、德国、瑞典、美 国、中国台湾等国家和地区，为防止家电的辐射危害，诸如微波炉、电磁灶、电 脑、电热毯、吸尘器等对人体特别是孕妇与儿童的影响，掀起了主妇穿屏蔽围裙、 屏蔽大褂以及青少年穿屏蔽马甲、屏蔽西服的热潮”。从此防电磁辐射屏蔽服装 的研究和开发逐渐走进家庭，成为民用服装防护的发展趋势。 2 0 世纪9 0 年代，日本、韩国又开始了导电纤维的开发研究工作，并将这些 导电纤维应用到服装中。到了9 0 年代中期，日本率先研制成功金属纤维，这种金 属纤维是在普通织物纤维基础上进行硫化铜处理，使其具有抗静电、防电磁辐射 等作用“。 目前许多国家又开发出一种多离子织物。1 ，是当今国际最先迸的第六代屏蔽 电磁辐射材料，是屏蔽低、中频段电磁辐射最先进的民用防护材料。多离子织物 采用目前国际最先进的物理和化学工艺对纤维进行离子化处理。该产品以吸收为 主，将有害的电磁辐射能量通过多离子织物变成热能散发掉，从而避免了环境二 次污染，净化了空气。由于织物中含有大量金属阳离子，还可起到杀菌除臭作用， 对皮肤无刺激，有助人体表皮微循环，同时具有防静电、防部分x 射线及紫外线 等功能。 1 2 2 国内研究现状 我国对防电磁辐射材料和防护服的研究和开发起步较晚。2 0 世纪6 0 年代初 北京劳动保护科学研究所开始研究电磁辐射防护服，7 0 年代开始正式生产铜丝与 柞蚕丝混纺布制成的屏蔽织物。进入8 0 年代后期，一些科研单位和企业随着国际 防电磁辐射材料和服装的发展，相继开展了金属化纤维防护织物的研究，并研制 成功了不锈钢软化纤维织物与服装、特殊工艺镀膜屏蔽织物与服装，同时开始装 备从事雷达、微波加热、微波理疗、卫星地面站、微波通讯等系统操作的人员m h ”1 。 进入2 0 世纪9 0 年代，一些较成熟的防电磁辐射产品问世，如北京天盾苑科 技发展有限公司开发的电磁屏蔽织物与导电纤维等多种防辐射产品和系列防护服 装，北京新时康经济发展公司的“护胎宝”围裙、丹东特种工业用绸分厂、保定 三源纺织研究所的屏蔽服装等“”。 综上所述，到目前为止，国内外都在研究有关电磁辐射防护问题，并瞄准了 防电磁辐射服装民用化市场，认为这些特种功能服装的研究和开发有市场潜力， 正在组织大批力量进行深入研究。但由于电磁辐射环境的复杂性，而目前人类又 3 第1 章绪论 避免不了要在不同的电磁辐射环境中工作、生活，如何评价人体在这样的环境中 是否安全，需要一个客观的量化的评价方法。 1 3 本课题研究内容和研究方法 1 3 1 本课题研究内容 本课题主要是针对电磁辐射对人体的危害，基于人体一服装一环境系统，研究防 电磁辐射服屏蔽机理，建立服装屏蔽效能理论模型，提出一种能模拟辐射环境的服 装屏蔽效能的实验方法；通过实验验证，指出影响服装屏蔽效能的显著因素；建 立服装屏蔽效能回归模型，为测试与评价该类服装提供理论依据和实验方法。 本课题研究内容主要有以下几个方面： a 电磁辐射的危害性及辐射人体的机理； b 防电磁辐射服装的屏蔽机理； c 影响防电磁辐射服装屏蔽效能的因素； d 防电磁辐射服装屏蔽效能的测试方法； e 实验研究影响因素的显著性和建立模型。 1 3 2 本课题研究方法 本课题在电磁物理学基础上，从人体和服装角度出发，研究防电磁辐射服装 屏蔽电磁波的机理。研究防电磁辐射服装是通过什么方式抵挡电磁波对人体的辐 射。在这基础上，分析哪些因素会影响服装的屏蔽效能，并从服装结构因素上分 析，什么样的结构处理会影响防电磁辐射服装的屏蔽效能。根据不同的辐射源、 不同的辐射场和服装结构因素影响，推导服装屏蔽效能的理论模型。 为了验证这些因素对服装屏蔽效能影响的显著性和理论模型，对目前已有的 测试方法和手段进行一系列的分析和比较，得出用现有的法兰同轴法、屏蔽室法 和波导管法任何一种方法是无法来实现服装的屏蔽效能的测试，所以提出了一种 测试服装屏蔽效能的方法。 由于研究时间和研究经费的限制，无法通过提出的服装屏蔽效能测试方法进 行实验。因此根据实际情况设计了一套可行的实验方案，分别用法兰同轴法进行 了辐射源和服装面料的实验，用屏蔽室法进行了辐射源距离的实验，用波导管法 进行了服装中缝隙、孔洞、拉链、门襟、层次等结构因素的实验。最后通过方差 第1 章绪论 分析方法对实验结果进行了显著性检验，用多元回归方法建立了服装屏蔽效能回 归模型，并与理论模型进行了对比。 本课题的技术路线如下： a 市场调查，收集材料和标准； b 研究防电磁辐射服屏蔽机理并建立理论模型； c 分析影响电磁辐射防护服效能的因素； d 对目前测试手段进行分析、比较，提出服装测试方法； e 实验设计和结果分析，验证理论模型 第2 章电磁辐射及对人体的影响 2电磁辐射及对人体的影响 2 1 电磁辐射的基本理论 2 ，11 电磁波的基本概念 电磁波和人们生活密切相关，无线电波、电视信号、雷达波束、x 射线和y 射线都是电磁波。电磁波有一很宽的频率范围，如图2 - 1 所示表示电磁波的频谱。 在自由空间，这些波都以3 1 0 8 m s 速度传播，且其传播规律满足麦克斯韦方程组。 所以电磁波又可以分为长波、中波、短波、超短波和微波“。 j 耐特 端 * 1嘛札艟d - 靴矗*一毫 氍j 慌裹鼍 矿 * “。 一- 柏 ( 撼# 蓐十戗 *蔑，h 舅5埔， k m _ -t # 采$ 。凡j | 嘻燕r 瞧 甘t t 辩 2 1 2 电磁辐射的产生 图2 - 1 电磁波频谱 电磁辐射是指其能量以电磁波形式由辐射源发射到空间的现象，或指其能量 以电磁波形式在空间传播的现象。影响人类生活环境的电磁污染一般可分为天然 电磁辐射和人为电磁辐射现象。天然电磁辐射现象主要是指由某些自然现象引起 的电磁辐射污染，如雷电等。人为的电磁辐射污染现象主要是脉冲放电、工频交 变磁场、微波、射频电磁辐射等。其污染源主要为以下几大类：( 1 ) 电脑、电视、 音响、微波炉、电冰箱等家用电器；( 2 ) 手机、传真机、微波通讯站等通讯设备： ( 3 ) 空中纵横交错的高压电线以及电动机、电机设备等；( 4 ) 飞机、电气铁路等； ( 5 ) 广播、电视发射台、手机、寻呼机发射基站、雷达系统等；( 6 ) 电力产业、 机房、卫星地面工作站、调度指挥中心等；( 7 ) 应用微波、x 射线等医疗设备“。 6 第2 章电磁辐射及对人体的影响 2 1 3 电磁波的基本特性 电磁波是通过适当的振源产生，并以变化磁场激发涡旋电场、变化电场又激 发涡旋磁场的方式使电磁振荡在空间和物质中传播的一种波。其实质是传递电磁 能量的过程，所以电磁波是一种横波。 电磁波是物质的一种形态，电磁传递过程无需借助其它物质来传递，电磁波 本身就是物质承担者。其能量w ：( 肛) j e 日，动量密度g ：( 删么：( 其中：e 为 ，o 电磁强度，日为磁场强度，a 为磁导率，占为介电常数，c 为电容) “”。 2 1 4 电磁辐射场区的期分 根据电磁辐射源的波长，辐射源与着装人之间的距离可以分为远场区和近场 区1 。 a 远场区：以辐射源为中心，半径为一个波长之外的空间范围称为远场，也 可称为辐射场。远场区的主要特点如下： ( 1 ) 在远场区中，所有的电磁能量基本上均以电磁波形式辐射传播，这种场 辐射强度的衰减要比感应场慢得多； ( 2 ) 在远场区中，波阻抗即电场强度与磁场强度之比有如下关系： 在酬= 蹦= 1 2 0 石= 3 7 7 & q 2 z o 式中：居为电磁强度，日为磁场强度，j 为辐射源电流强度，旯为波长，为 辐射源距离。 其电场与磁场的运行方向互相垂直，并都垂直于电磁波的传播方向； ( 3 ) 远场为弱场，其电磁场强度均较小。 b 近场区：以辐射源为中心，半径在一个波长范围内的区域称为近场，也可 称为感应场。近场区通常具有如下特点： ( 1 ) 在近场区内，波阻抗的大小没有确定的比例关系。 z ：魁： l h ，j 观。厅去2z 。击z o 瑚，q 第2 章电磁辐射及对人体的影响 一般情况下，对于电压高电流小的辐射源，电场要比磁场强得多，对于电压 低电流大的辐射源( 如某些感应加热设备的模具) ，磁场要比电场大得多； ( 2 ) 近场区的电磁场强度比远场大得多。从这个角度上说，电磁防护的重点 应该放在近场区； ( 3 ) 近场区的电磁场强度随距离的变化比较快，在此空间内的不均匀度也较 大。 近场区和远场区波阻抗随距离的变化如图2 2 所示： j z - r w r z 0 岳焉t 时焉畸 辐艄至蕾特之嘏臣鼻ra ：l ，2 l 奋悭， 图2 - 2 近场和远场波阻抗随辐射源距离的变化示意图 2 2 电磁辐射对人体的作用机理 电磁波辐射对人体的作用机理，生物物理学家进行了深入研究，取得了许多重 要的结果。”。一种认为人体是个导电体，电磁辐射作用于人体产生电磁感应，并有 部分的能量沉积。电磁感应可使非极性分子的电荷再分布，产生极性，同时又使 极性分子再分布，即偶极子的生成。偶极子在电磁场的作用下的取向异常将导致 生物膜电位异常，从而干扰生物膜上受体表达酶的活性，导致细胞功能的异常及 细胞状态的异常。 另一种认为电磁辐射对人体的影响主要是加热，使机体组织烧伤，即热效应。 由于电磁辐射是直接对生物的肌体细胞产生加热作用，而且是穿透生物体表层直 接对内部组织进行加热的。所以电磁辐射危害人体的机理主要有热效应、非热效 应和累积效应等。 a 热效应：电磁辐射的生物效应已被医学界大量的动物实验证明，生物体接 受电磁辐射后产生变化，热效应是高频电磁波对生物肌体细胞的“加热”作用， 生物体接受辐射后体内的极性分子随着电磁场的、极性的变化做快速排列运动， 分子相互撞击、摩擦而产生巨大热量。而这些热量靠体温的调节无法把它们散发 第2 章电磁辐射及对人体的影响 出去，则肌体升湿，内部组织严重“烧伤”，肌体表面却看不出什么，显然致热效 应会直接影响人体器官正常工作，它对心血管系统、视觉系统、生育系统等都有 一定影响。 b 非热效应：长时间低电平的电磁辐射，也会产生电磁生物效应，这种效应 称为非热效应。热效应与非热效应的分晁线并非很明确，非热效应是低频电磁波 产生的影响，生物体受电磁辐射后体温并未明显升高，但干扰和破坏了人体固有 的微弱电磁场，使血液、淋巴液和细胞原生质发生变化，造成细胞内的脱氧核糖 核酸受损和遗传基因发生突变而畸形，进而诱发白血病和肿瘤，还会引起胎盘染 色体改变，并导致婴儿畸形或孕妇的自然流产。 c 累积效应：热效应和非热效应作用于人体，当人体尚未来得及自我修复之 前，如果再次受到电磁辐射的话，其伤害程度就会发生累积，久而久之会成为永 久性病态，危及生命。对于长期接触电磁辐射的群体，即使功率很小，频率很低， 也可能会诱发想不到的病变，所以应引起警惕。 2 。3 电磁辐射对人体的影响 2 3 1 电磁场对人体的益处 无数大量的实例表明o “：电磁场在低频、中频到高频的范围内，以适当的方 式和时间作用于人身体后，可以治疗多种疾病。医学上的“电疗”，即对人体某些 部位加上适当的电压，将电流引入人体产生某些治疗作用。当直流电通过人体组 织时，会引起人体内一系列的物理化学变化及离子转移。医学上的“磁疗”治病， 即是给人体加上个“外磁场”，使人体的分子电流磁矩产生“取向运动”，使分 子电流流向一致，加强电流强度，达到磁疗的目的。 2 3 2 电磁辐射对人体的危害 事物是两面性的，电磁场作用的好处和坏处往往是并存的。由于现代无线电 通信设备、电子设备及电气设备的大量应用，这些设备的发射功率迅速增大。据 统计“”，全世界发射场的功率每5 - 1 0 年增大一倍，由此引起强电磁辐射对人的危 害，已成为人们十分关注和担忧的问题。 归纳起来，电磁辐射对人体健康的影响主要体现在以下几方面“”_ “： a 对中枢神经系统的影响中枢神经系统是微波辐射最敏感的部位。主要引起 9 第2 章电磁辐射及对人体的影响 神经系统的障碍，甚至出现“脑震荡综合征”及帕金森病、肌萎缩侧索硬化等病症。 b 对内分泌、心血管及免疫系统的影响普通功率电磁波早期即可造成垂体多 种激素紊乱和促肾上腺皮质激素、皮质酮、类皮质激素、甲状腺素等升高。垂体、 肾上腺、甲状腺细胞均出现营养不良性改变，死亡增多，并持续较长时间。同时睾 丸生精细胞和问质细胞发生损伤，睾酮水平下降，卵巢也见卵泡细胞退变、雌激素 分泌紊乱。中高功率电磁波常引起心肌细胞的损伤，特别是窦房结、房室结、传 导纤维的病变更为明显，轻者会导致细胞退变，重者则导致细胞坏死和凋亡。 c 对造血系统的影响中小功率电磁波照射后早期即见外周血红细胞、白细 胞、血小板不同程度降低，高功率照射后更明显。骨髓组织早期即见充血、出血、 水肿，粒系、红系细胞和巨核细胞发生退变，甚至凋亡和坏死，d n a 含量降低， 细胞增殖能力下降，l 4 周更为明显，造血细胞数量减少，脂肪细胞增多，并 见“巨核细胞被噬”现象及凝血功能下降。 d 对眼的损伤晶状体对电磁波尤为敏感，主要表现为晶状体前囊和后囊水 肿、凝聚，轻者出现局部性混浊，重者全晶状体混浊，并见前囊上皮细胞和赤道 部细胞变性坏死。 e 对生殖系统和后代的影响电磁波照射对生殖的影响主要是妊娠率降低、着 床位点减少、胚胎发育迟缓、畸胎率增加、死胎率升高、胎儿体重下降、性别比 例失调，并多见脑发育异常，免疫功能减弱。虽然生殖损伤效应受多种因素的影 响( 如功率、频率、受照时间等) ，但电磁波对性腺、生殖、后代的危害不可忽 视。 d 对其他器官系统的影响电磁波的照射对消化腺系统也有一定的影响。在 泌尿系统中，肾脏较为敏感。较高强度电磁波影响后，人体致癌率有所提高，最 常见的恶性肿瘤为白血病( 可增高6 7 倍) ，其次为消化系统癌症和皮肤癌。 长期使用手机者，脑部肿瘤也有增多趋势。 为了使人体免遭电磁辐射的危害，必须在人体与环境之间有一安全的屏障， 这个任务就落在服装上。常言服装是人体的第二皮肤，但服装要真正起到屏障人 体的作用时，并不是想象的只是简单的用纺织品包覆人体就行，必须要研制和开 发真正具有屏蔽效能的防电磁辐射服装。所以开发和研制这类服装必须真正的从 人体本身出发，了解人体的结构特征和要成为人体第二皮肤服装所具有的特征。 2 4 服装结构分析 任何不同用途的服装的设计和开发都是离不开人体的，首先人的形态是服装 1 0 第2 章电磁辐射及对人体的影响 结构的依据，人体的长度和围度决定服装的造型和规格尺寸，人体体表的起伏决定 服装在必要的部位进行调整和处理。其次，服装要与人体的各种需求相适应，即 满足人体需要的舒适感、审美感和安全感等。要实现这些要求，在研究和开发防 电磁辐射服装时，就必须从人体出发，设计和开发既满足人体着装的需求又能保 护人体健康的服装。 2 4 1 人体构造 人体的基本构造是由骨架、肌肉和脂肪组成。它们以人类自然生长的秩序组 合成人体。由于骨骼各部分之间的相互连接，构成了人体的基本骨架，这些基本 骨架的运动特征构成了与服装密切相关的服装结构特征。人体的舰肉结构相对较 复杂，主要是浅层肌和少数对服装造型有作用的深层肌肉。这些躯干肌肉的形体状 态及所构成的形态特征，对服装结构的研究非常重要。附在肌肉外的脂肪也是构 成人体外形的重要因素，随着人们的生活水平逐渐提高，胖体型的人群逐渐增多， 还有老年人的体型受脂肪层的影响较大。”。所以不同体型的人在服装中的体现也 各不相同，这样服装针对不同情况在结构上也要傲相应的调整和处理。 人体不同部位的横截面形状也反映了人体的结构复杂性，如颈部截面其形状 为桃形，肩部截面是人体宽度和厚度差距最大的区域，胸部截面尤其女性接近正 方形，肋背截面柱形特点最强，腹部截面呈圆形，臀部截面呈现为金字塔形。”。 所以人体的形态是从肩经胸、腰到臀经历了由扁变圆又由圆变扁的变化过程，尤 其女性人体从侧面看，女性乳房隆起，背部后倾，颈稍向前伸，再加上盆腔宽阔， 骨盆倾斜程度大，臀部后凸，整个躯干起伏较大，呈现s 形。 2 4 2 服装结构分析 根据人体结构的特征，服装在设计和制作中，为了更好体现人体的着装需求， 服装在人体的不同部位要进行不同方式的结构处理。”。 a 颈部颈部是头部和躯干的连接处，颈部处服装( 除了连帽服) 必须有必要 的开口，呈上至下粗圆柱状。从侧面看，颈部向前里倾斜状，造成前低后高的斜 坡。所以颈部具有长、短、粗、细、周长等尺寸属性和倾斜角度。颈部的服装结 构主要涉及的是领口，根据不同用途和服装款式的需要，领口可以设计成不同造 型，但会在领口处形成一个开口。 b 上肢上肢是人肢体中最灵活的部分，上肢的上臂、前臂和手，通过肩、 肘、腕等关节与躯干相互连接，要进行多种运动并造成多种形态。所以袖形的结 第2 章电磁辐射及对人体的影响 构设计形成不同袖形，会出现不同的缝隙和不同形状的开口。 c 胸部和背部胸部的造型设计是成年女子服装设计中的重点，女子的乳房一 般是圆锥形，位于乳房附近的胸部造型设计主要是体现时代女性风貌的特征设计， 主要通过胸部增加省道、从腰部到胸部打褶、公主线的设计来实现。背部的结构 特征主要是上肢举起时，伴随着肩胛骨的移动，体型发生的变化和人体表面皮肤 的伸展引起的变化，所以服装中背部结构设计要有一定的余量考虑和加入一定量 的肩省。考虑到女体的特殊体型，在背部还有必要加入一定量的腰省和褶的处理。 这些结构设计会造成整体服装中缝隙的增加。 d 肩部、体侧部和上装下摆肩部的外侧是躯干与上肢的界线，两者通过肩关 节连接。肩关节在身体运动中可动范围最大，为了配合上肢运动引起变化的部位 设计，肩部结构设计中一般有过肩、插肩等设计，一般都有大量的接缝处理，体 侧部位还会采用两片衣片的接缝处理。除了连体服装，一般上装都会有上装的下 摆开口，根据不同款式的需求，开口的形状也各异，宽松服装下摆开口较大，紧 身贴身服紧贴身体开口就较小，开襟服在门襟处还有多处开口。这就给服装造成 了很多的开口和缝隙。 e 下肢人体下肢运动形态变化较大，人在正常行走时，两膝围的变化是各种 裙款造型的依据。在构成裙子的摆幅设计中，至少不能小于一般行走和登高的活 动尺度。所以必须借助裙摆的开衩或打活褶等功能性的结构设计。裤子的结构设 计中也要根据下肢的运动特征来设计，由于臀部要考虑人体正常的落坐、下蹲等 需要，在这部位要有一定的放松量，一般会通过裤子的省、分割和打褶来处理。 所以会产生不同的缝隙和开口等。 由于人体的特征和需求，服装的结构设计提出了不同的要求，总体说来服装 的这些特殊的结构需要，是很复杂的，任何一处的结构形状都不是一个简单的几 何图形能概括。同时还要考虑到人体静态和运动态时的舒适性和安全性，服装在 结构设计中不得不采用多处的开口、孔洞、接缝和省道等处理，来达到符合人体 穿着服装的要求。这些结构处理因素必然会影响服装的整体屏蔽效能。 服装在电磁辐射环境中处于保护人体的作用，而人体的不同部位对电磁辐射 敏感度也不同，为了更好地保护人体，在人体的重要敏感部位，服装要避免或尽 量减少结构中的这些缝隙和开口的处理。 第3 章防电磁辐射服装屏蔽机理 3 防电磁辐射服装屏蔽机理 本章从电磁物理学的基本理论出发，针对人体一服装一环境的系统，着重研究环 境中辐射源发射的电磁波在穿过服装到达人体的衰减机理，分析影响防电磁辐射 服装屏蔽效能的因素，为建立防电磁辐射服装屏蔽效能的模型提供理论依据。 3 1 电磁波的反射机理 电磁屏蔽的目的是消除或抑制电磁场辐射源发射的电磁波。据电磁物理学可 知。”“，对于电磁场来说，电场分量和磁场分量总是同时存在的。所以在屏蔽电磁 场时，必须同时对电场与磁场加以屏蔽，这也是通常称之为“电磁屏蔽”。屏蔽电 磁辐射的原理，则主要是基于电磁波穿过防电磁辐射服装时会产生波反射、波吸 收和电磁波在服装内的多次反射，导致电磁波的能量衰减，如图3 1 所示。 u p u ，、_ 一 二 。- 一：， 2 黯* 。” # 图3 - 1 防电磁辐射服装对入射电磁波的衰减示意图 众所周知，光线入射到两种不同介质的界面时，要产生反射、折射、吸收和透 射，同时产生能量损失。电磁波与光线样，当电磁波传播到两种不同介质的界 面时也会发生这些类似的现象。当电磁波到达防电磁辐射服表面时，之所以会产 生波反射，是因为电磁波在空气介质中的波阻抗五( 电磁波在空气中某一点的电 场强度与磁场强度之比) 与服装的特征阻抗z ，( 服装的电阻) 不相等，电磁波传 播到服装界面就会产生波反射，引起能量损失。”恤1 。此时如果z 1 和z ：两者数值 相差越大，反射引起的损耗也会愈大，如图3 - 2 所示。 第3 章防电磁辐射服装屏蔽机理 些一 m 一糍“ e ，一e - 一s b - 榭z - zh n 一磊w s 一巷毫s 图3 - 2 电磁波通过特征阻抗不同的介质产生的波反射 假设电磁波在空气中的阻抗为z 。，防电磁辐射服装的特征阻抗为z ：，入射波 辐射场强分别为、h 。，电磁波到达服装界面上发生了波反射。则反射后反射 波的电磁场强分别为。“： e ，。j z 瓦! - z 2 凰 ( 3 1 ) 耻臻矾 ( 3 _ z ) 所以透过服装后的透射波的电磁场强度就分别为： e ，= & 一e ，= j 鬲2 2 2 最 ( 3 3 ) 即乩卅，= 袅风 ( 3 _ 4 ) 但实际的服装是具有一定的厚度，所以电磁波在进入服装后在服装中还会发 3 2 电磁波的吸收机理 当电磁波进入一种吸收介质时，如电磁物理学理论可知 2 4 - 2 e ，电磁场强度会 随着深入的距离按指数规律衰减，其原因在于电磁波在该介质中会产生感生涡流， 涡流通过介质电阻发热产生损耗，如图3 3 所示。 1 4 第3 章防电磁辐射服装屏蔽机理 一采鲁薯e 。 芦匿 图3 - 3 电磁波穿过吸收介质按指数规律衰减示意图 电磁波之所以会产生这种衰减，根据匹配谐振机理”“，是因为作为一种物质 形态的电磁波，它具有动量，在遇到其它物质时发生了波反射，其动量密度( 在 第二章中有阐述其值为：g ：( 删么：) 发生改变。同时，表面附近的自由电子在 l 交变磁场的作用下感应形成涡流，而涡流在物质中传导会产生热效应，因而使电 磁波被损耗，这种损耗也就是所谓的涡流损耗。 由于其能量是随着电磁波深入服装内部的距离，即服装的厚度，按指数规律衰 减，衰减后的其电磁场强度得到改变，因此它们分别可以表示为m 1 ： 置：e o p h 1 ：h o e - ( 3 5 ) 式中：t 为服装的厚度，占为趋肤深度。 3 3 电磁波的多次反射机理 由于服装主要是由服装面料组成，它有一定的厚度，根据电磁物理学原理”“， 当电磁波进入服装后到达服装的第二界面时还要发生波的反射。如果服装较薄， 从第二界面反射的电磁波返回到第一界面时还要再次被反射。如果服装是多层次 组成，从第一层服装透射过去的电磁波，遇到第二层还要再次发生反射。如此周 而复始，直到电磁波能量在服装中被吸收到可以忽略为止，这现象称为多次反射。 如图3 4 所示。 第3 章防电磁辐射服装屏蔽机理 囝3 4 电磁渡多次反射的不意图 设在透过服装第一界面的电磁波为、托，到达第二界面反射的波为e 旷 ，：，透过第二界面的透射波为巨：、h ，：。 这样根据公式( 3 - 3 ) 和( 3 - 4 ) 可得到： 耻箍_ ，= 袅 瓤耻特e - = 等静 睁e ， 耻籀耻等夙 c 。一z ， 这样透过服装第二界面的电磁波强度分别为： 驴耻耻箍毛一等等磊。毒务b s ， = h t l - h ，2 = 貉风一鲁学即孝务峨 。， 大多数情况下，防电磁辐射服装的面料里都含有金属纤维，而它周围环境的介 质为空气，即绝缘体，所以可得互 z 2 。这样由式( 3 1 ) 和( 3 6 ) 可得： e ，。“e 。即电场在防电磁辐射服装的表面几乎被全部反射。由此可见，电磁辐射 的反射是防电磁辐射服装的主要屏蔽方式。 又从公式( 3 - 2 ) 和( 3 - 7 ) 可得：，：“2 乩。这意味着磁场反射波要比入射 波的磁场强度大一倍，所以磁场在服装中的多次反射必须考虑。伴随着磁场波在 服装中的多次反射，服装内的多次吸收和磁场分量在界面2 的多次透射也同时发 第3 章防电磁辐射服装屏蔽机理 生。由此可见，对磁场的屏蔽必须先在服装内对磁场分量进行吸收才行，可见它 对服装材料及厚度均有一定要求。 3 。4 影响服装屏蔽效能的因素分析 3 4 1 电磁辐射源 电磁辐射源有许多种类型，可以产生不同波长、频率和强度的电磁辐射。不 同频率、强度的电磁波对人体的伤害程度也不相同，同样的屏蔽服装对不同辐射 源的电磁辐射屏蔽效果也不同。 电磁辐射分为电场源辐射、磁场源辐