（环境工程专业论文）防电磁辐射服装屏蔽效能测试方法研究.pdf

a bs t r a c t a b s t r a c t ：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 sb e e nd e v e l o p e df o rm a n yy e a r s ， b u tt h e r ea r en o ta n yr e l e v a n ts t a n d a r d sa b o u tt h es h i e l d i n ge f f e c t i v e n e s sm e a s u r e m e n t m e t h o d t h e r e f o r e , t h ec o r r e s p o n d i n gm e a s u r e m e n tm e t h o dn e e d st ob ed e v e l o p e d u r g e n t l y t h i sp a p e rs e e k st od e v e l o pa ne f f e c t i v em e t h o dt ot e s tt h ee l e c t r o m a g n e t i c s h i e l d i n gc l o t h i n g 1 1 h et h e o r yo fe l e c t r o m a g n e t i cs h i e l d i n gi si n t r o d u c e di nt h i sp a p e rf i r s t l y , i n c l u d i n g t h es h i e l d i n gt h e o r yo ft h ee l e c t r i cf i e l d ，m a g n e t i cf i e l da n de l e c t r o m a g n e t i cf i e l d ，t h e d e f i n i t i o na n dc a l c u l a t i o no fs h i e l d i n ge f f e c t i v e n e s s t h e n , w eg i v et h ef u r t h e ra n a l y s i so f t h es h i e l d i n gp r i n c i p l eo 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 g w ee s t a b l i s hab a s i cm e t h o do ft e s t i n gt h es h i e l d i n ge f f e c t i v e n e s so f s h i e l d i n gc l o t h i n g a c c o r d i n g t oc l o t h i n gs t r u c t u r ea n dt h ea n a l y s i so fr e l a t e da r t i c l e s a c c o r d i n gt ot h ea n a l y s i s o ft h ek e yf a c t o r sw h i c hw i l la f f e c tt h ea c c u r a c yt h o u g ht h et e s t i n gp r o c e s s ，w ed e t e r m i n et o e s t a b l i s hah u m a nb o d ym o d e la n dc o m p l e t et h et e s t i n gi nt h en e a rf i e l da n df a rf i e l d s e p a r a t e l y t h es p a c ei ns h i e l d i n gc l o t h i n gi sl i m i t e d ，s ot h ee x i s t e n c eo ft h ep r o b ea n d e m i s s i o ns o u r c ew i l li n t e r f e r et h eo r i g i n a lf i e l d ，w h i c hi st h ei m p o r t a n tf a c t o rt oc a u s i n g m e a s u r e m e n te r r o r t of i n dt h eb e s tp o s i t i o no ft h ep r o b ea n de m i s s i o ns o u r c e ，w es h o u l d c h a n g et h ep o s i t i o no ft h ep r o b ea n de m i s s i o ns o u r c e ，a n dd om a n yd i f f e r e n tt e s t s p a p e r d e s c r i b e si nd e t a i lt h et e s t i n gp r o c e s s ，i n c l u d i n gad e t a i l e dl a y o u to ft h et e s t ，t e s ts t e p sa n d t e s tr e s u l t s a c c o r d i n gt ot h et e s t i n gp r o g r a m ，t e s t sa r ed o n et ot h er e a ls h i e l d i n gc l o t h i n g i nt h e c o n d i t i o no ff a rf i e l d ，t h ep r o b ei sp l a c e di nt h es a m eh i g hb u td i f f e r e n td i s t a n c e i nt h e c o n d i t i o no fn e a rf i e l d ，t h ee m i s s i o ns o u r c ei sp l a c e di nd i f f e r e n tp a c e st od ot h et e s t s i n t h i sp a p e r , w ed e s c r i b et h ed e t a i lt e s t i n gp r o c e s s ，i n c l u d i n gad e t a i l e dl a y o u to ft h et e s t ，t e s t s t e p sa n dt e s tr e s u l t s i no r d e rt op r o v et h er e l i a b i l i t yo ft h et e s tp r o g r a m ，w eu s et h e s o f t w a r eh f s st os i m u l a t et h et e s t i n gp r o c e s s w ec a nf i n dt h eb e s tt e s tp r o g r a mb y c o m p a r i n gt h er e s u l t so ft h et e s ta n dt h es i m u l a t i o n f i n a l l y ，t h es t a n d a r d o ft h e m e a s u r e m e n tm e t h o di sp r o d u c e d k e y w o r d s ： 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 g ；s h i e l d i n ge f f e c t i v e n e s s ； m e a s u r e m e n tm e t h o d ；s t a n d a r d c l a s s n o ：【请输入分类号，以分号分隔。】 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 叫畅 导师签 签字日期：妇罗年6 月k 日 签字日期 1 乙 ， 日 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名酬均 签字日期 叫年6 月7 5 同 5 9 致谢 经过一年左右时间的努力，终于完成了本论文，在这里要真心感谢很多人的 帮助和指导。 本论文的工作是在我的导师闻映红教授的悉心指导下完成的，闻映红教授严 谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在遇到问题时，闻老 师总能以她敏锐的视角和渊博的知识对我耐心指导，无论在工作还是生活上都给 予我了极大的帮助，在此衷心感谢两年来闻映红老师对我的关心和指导。 此外，在我两年的研究生学习期间，电磁实验室里的每一位老师和同学都给 了我很多的关心和帮助，特别感谢沙斐老师、周克生老师、王风兰老师、王国栋 老师和朱云老师，你们细心的教诲和严谨治学态度让我收益匪浅，在你们的指导 下，我们才能顺利完成了实验室的科研工作，在这里表示衷心的谢意。 在实验室工作及撰写论文期间，王强师兄、单秦师兄、孟水仙、唐伟、赵海 明等同学对我论文中的研究工作给予了热情帮助，在此向他们表达我的感激之情。 另外，要感谢电子四所的赵磊，为我提供了测试场地和设备，使我能够顺利 得完成测试。在这里对您表示衷心的感谢。 最后要感谢我的家人，他们的理解和支持是我最大的动力，使我能够在学校 专心完成我的学业。 1 引言 1 1 电磁辐射对人体的影响 1 1 1电磁辐射来源与传播 电场与磁场的交互变化产生了电磁波，而电磁波向空中发射或泄露的现象称为 电磁辐射【1 1 【2 】【3 】。它具有无形无色、无声无味、穿透力强三个特点。电磁辐射产生 于辐射源一般分为两类，一类是天然辐射源，主要来自某些自然现象，如雷电、 台风、太阳的黑子活动与黑体放射等太阳是人类接受到的最大天然辐射源。我 们接受太阳辐射的能量主要是可见光，红外线，远红外，还有紫外线。由于太阳 和地球的距离很远，因此强度也大大降低了。天空打雷，地震和火山爆发等也会 产生较强的电磁辐射。这种电磁污染除对人体、财产等产生直接破坏外，还会在 广大范围内产生严重的电磁干扰，尤其是对短波通讯的干扰最为严重，而这种电 磁辐射源常常会被我们忽视和淡化；另一类是人为辐射源，主要是来自人工制造 的各种系统或装置与设备，具体分为以下六类：家用电器类，如电脑，电视，音 响，微波炉，电冰箱等；通讯设备类，如手机，传真机，微波通讯等：交通系统 类，如飞机，轻轨，电车等；广播通讯发射类，如调频广播发射台、地面卫星发 射台、移动通信基站等；工科医类，主要指用于工业、医疗、科研单位的高频设备。 常见的电磁辐射源辐射功率由几瓦到几百瓦不等，它们的辐射频率在几m h z 至几 g h z 之间。表1 1 和表1 2 列出了部分我们日常生活中会接触到的辐射源的数据。 表1 1 常见辐射源频率 t a b l e1 - 1t h ef r e q u e n c yo fc o m m o ne l e c t r o m a g n e t i cr a d i a t i o ns o u r c e s 表1 2 常见家用电器磁辐射检测数据参考表 t a b l e1 - 2m a g n e t i cr a d i a t i o nd e t e c t i o nd a t ao ff a m i l yc o m m o n l yu s e de l e c t r i c a l 1 1 2 电磁辐射对人体的危害 随着人类科学技术突飞猛进的发展，各种各样的电子产品设备不断涌现，如 移动电话、计算机通信设备、视听设备、导航设备等，它们在给人类的工作和生 活带来便利的同时，也给人类的健康带来了一定的危害，各种电器和电子设备都 会产生不同波长和频率的电磁波充斥空间，对人体具有不同程度的的危害，对人 类构成新的威胁，由于电磁波看不见，摸不着，令人防不胜防，被称为现代的隐 形杀手。它已成为继空气、水、噪声之后第四大环境污染。 科学研究表明，电磁辐射对人体的危害机理主要表现在一下三个方面：热效 应、非热效应和积累效应l j 【引。 1 热效应 生物体吸收了电磁波能量后，体温升高，从而使生物体的各种生物功能产生 了变化，这种现象称为电磁生物热效应。对人体来说，人体组织7 0 以上是水， 而水分子为极性分子，并且电磁波又为交变的电磁场，因此当人体接受电磁辐射 后，体内的极性分子会随着电磁场极性的变化做快速排列，分子在这个过程中会 相互撞击、摩擦从而产生巨大的热量，导致机体升温，从而影响其他器官的正常 工作。电磁波的频率越高，电场强度越强，热效应越明显。由于电磁波是穿透生 物表层直接对内部组织“加热”，往往机体表面看不出什么，而内部组织却已严重“烧 伤 。由热效应引起的机体升温，对心血管系统的影响是心悸、头胀、失眠、部 分女性经期紊乱、心动过缓、心博血量减少、窦性心率不齐、脏细胞病变、白细 胞减少、免疫功能下降等；对视觉系统的影响是视力下降，引起白内障等；对生 育系统的影响是性功能降低、男子精子质量降低，孕妇发生自然流产、胎儿畸形 2 等。 2 非热效应 在电磁波的作用下，生物体内的温度保持不变或没有明显的升温，却使生物 体内发生各种生理、生化和功能的变化并表现出频率选择和功率选择，这种生物 效应称为非热效应。 首先，人体的器官和组织都存在微弱的电磁场，它们是稳定和有序的，一旦 受到外界电磁场的干扰，处于平衡状态的微弱电磁场即将遭到破坏，这是低频波 产生的影响，即人体被电磁波辐射后，体温并未明显提高，但已经干扰了人体的 固有微弱电磁场，使血液、淋巴和细胞原生质发生改变，造成细胞内的脱氧核酸 受损和遗传基因发生突变畸形，进而诱发白血病和肿瘤，还会引起胚胎染色体改 变，并导致婴儿的畸形或孕妇的自然流产。电磁辐射作用于神经系统，影响新陈 代谢及脑电流，使人的行为发生变化及相关器官发生变化，进而影响人体的循环 系统、免疫及生殖和代谢功能，严重的甚至会诱发癌症。 其次，根据电磁生物非热效应的“共振自适应理论，由于细胞膜的特殊结 构，当电磁场与生物体发生作用时，首先通过共振吸收的方式吸收电磁波的能量， 从而改变膜内外表面的面电荷密度的分布，同时膜会产生一种自适应的调节，力 图保持原有的生存方式或状态，若外界的影响超过其自适应能力，则会产生变异， 生命体出现了新的生存放式；当电磁辐射的影响突破了生物膜自适应的极限，破 坏了生物膜的原有结构，使细胞膜失去原有的功能而不能恢复，细胞死亡，这样 电磁波就会对生物体造成伤害。 3 累积效应 热效应和非热效应作用于人体后，对人体的伤害尚未来得及自我修复之前， 如果再次受到电磁波辐射，其伤害程度就会发生累积，称为电磁辐射的累积效应。 当累积作用到达一定程度时，人体受作用的部位有可能成为为永久性病态，危及 生命。对于长期接触电磁波辐射的群体，即使功率很小，频率很低，也可能诱发 想不到的病变，应该引起警惕。 多种频率电磁波特别是高频波和较强的电磁场作用人体的直接后果是在不知 不觉中导致人的精力和体力减退，容易产生白内障、白血病、脑肿瘤，心血管疾 病、大脑机能障碍以及妇女流产和不孕等，甚至导致人类免疫机能的低下，从而 引起癌症等病变。 1 1 3电磁辐射的防护 预防和减少电磁辐射的伤害，根本出发点是要消除和减弱人体所在位置的磁 3 场强度，防护措施主要有以下两方面【1 】【2 】【3 j ： 一方面，是采取主动屏蔽，通过一定的手段，将电磁辐射的作用和影响限定 在一定空间内，或者是减小电磁波的辐射作用。为了限定电磁辐射的范围，可以 利用将场源置于屏蔽体内的方式来实现，这种方式适合于辐射源比较集中，辐射 功率大的情况。例如对于辐射较大的设备，我们可以采用板状或网状的金属组成 外壳来进行屏蔽，对于一些高辐射的医疗设备，我们可以建立电磁辐射防护事或 者电磁屏蔽医疗室，这样既放置外界瞬态噪声进入室内对系统产生干扰又保护了 工作人员免受电磁辐射的伤害。减小电磁波的辐射作用主要通过切断电源的方式 来实现，具体措施主要是日常生活中，对于不用的电子设备或家用电器，应当即 使切断电源，可以阻止电磁波的传播给人体造成的伤害。 另一方面，被动屏蔽也是一种很有效的防护措施，主要是通过个人防护来实 现。最主要的方法是通过穿着防电磁辐射服装即屏蔽服来减小电磁辐射对人体的 危害，特别是儿童、孕妇和哺乳期妇女。其次，我们还可以通过保持与辐射源的 距离，例如做到与电脑显示屏正面距离保持在7 5 c r n 以上，侧面距离保持在9 0 c m 以上，不长时间使用电脑，使用移动电话时尽量与头部保持一定距离，减少通话 时间。最后，还可通过多吃蛋白质、磷脂和v c 食品，加强营养，以利于人体调节 因电磁辐射引起的紊乱。 1 2 国内外防电磁辐射服装的发展与现状 电磁辐射的危害逐渐被人们所认知，为了减小它对人类构成的危害，人类便 开始了对各种防辐射服装的研究【5 】。早在上世纪2 0 年代，英国、日本、加拿大、 瑞典、美国、德国、法国、等一些发达国家就开始进行特种防护服装与织物的研 究。6 0 年代，国际上关于电磁辐射防护标准建立后，金属丝和服饰混编织物这样 的屏蔽材料便随之出现，其后又出现了金属纤维混纺织物、电镀织物化学镀织物 等。这些材料都是以反射作用为主，存在环境二次污染，且不适于穿着。到了8 0 年代，美国北美航空公司成功研制出了为防止雷达探测被发现的防护衣和头盔， 这种防护衣与头盔是由微波吸收材料制作而成。8 0 年代后期到9 0 年代初期，英国、 法国、德国、瑞典、美国、等国家，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。这些屏蔽服主要是针对家用电器带来的辐射危害， 例如微波炉、电磁炉、电脑、吸尘器等。从此，防电磁辐射屏蔽服装开始走入家 庭，成为民用服装。到了9 0 年代中期，日本率先研制成功金属化纤维在普通织物 纤维基础上进行硫化铜处理，使其具有抗静电杀菌作用。同本已用此种织物制作 成高档衬衣，售价高达每件4 0 0 0 元人民币。目前，世界上许多国家已经瞄准了抗 4 静电、防电磁辐射、杀菌等特种防护服装民用化市场，并正集中力量进行研究。 在我国，2 0 世纪6 0 年代开始研究电磁辐射防护服装，7 0 年代到8 0 年代开始 正式生产铜丝与柞蚕丝混纺布制成的屏蔽服，成功研制生产了微波吸收防护物， 成功研制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，进而又开始 研究用于从事雷达、微波加热、微波理疗、卫星地面站、微波通讯等系统操作的 人员的防护服装。 目前，市场上已出现各种品牌各种款式的防电磁辐射服装，并且逐渐在丰富。 随着各种功能的防护服的开发和应用，以及新闻媒体有关电磁波对人体影响的报 道的增加以及人们自我保护意识的加强，防电磁辐射服装已经开始走向民用市场 并得到消费者青睐 1 3 研究防电磁屏蔽服装屏蔽效能测试方法的必要性 电磁辐射的污染是客观存在的事实，而电磁污染影响人们的健康也是众多专 家研究认可的，因此如何做好电磁辐射防护工作就成了众多人关心的问题。电磁 屏蔽服的出现从表面上看似乎可以解决电磁辐射防护问题，但是也带来了问题。 电磁屏蔽服已开发多年，但国际上对电磁屏蔽服屏蔽效能的测试方法一直没 有一个统一的标准，只有一些近似标准，如美国材料协会标准“屏蔽材料屏蔽性 能测量方法 【2 4 】和s j 2 0 5 2 4 1 9 9 5 “材料屏蔽效能的测量方法”f 2 5 】，但都只是有关 屏蔽材料的标准。屏蔽服上所标出的屏蔽效能值多数只是屏蔽织物的测量值，并不 能真实说明服装的屏蔽效果。 目前，屏蔽服装市场正呈现着不断发展的趋势，生产屏蔽服的厂家越来越多，屏 蔽服的种类也逐渐增长，产品的使用对象从处于复杂电磁环境的工作人员到日常 生活中的居民百姓。人们的需求也越来越大。但是，没有统一的测量标准，产品 生产厂家无法得到准确的测量数据，对于产品真实的防护性能消费者无从知晓， 当出现质量纠纷时，权威机构也无法检测。因此，相关测量方法标准的制定可以 为消费者、生产厂家、质量检测机构提供一个统一、科学的产品质量标准，从而 起到了规范屏蔽服装市场、保护广大消费者利益的作用。 5 2 防电磁辐射服装屏蔽原理 2 1 电磁屏蔽原理 电磁屏蔽是抑制电磁干扰的重要方法之- - 6 】【7 】嘲【9 】。电磁屏蔽是利用某种材料 制成的屏蔽壳体来阻挡或减小电磁能传输的一种技术，这个壳体可做成板式、网状 式以及金属编制带式等，其材料可以是导电的、导磁的、介质的，也可以是带有 非金属吸收填料的。有了屏蔽壳体的作用，使得电磁能量既无法从内部完全泄露 出去，外部的电磁能量也不能进入壳体内部进行干扰。屏蔽的主要原理可以理解 为屏蔽体通过反射、衰减、吸收并引导场源所产生的电磁能流四方面的作用，使 得电磁波不进入被防护的区域，从而起到电磁屏蔽的作用。 根据屏蔽对象的不同，可将电磁屏蔽分为主动屏蔽和被动屏蔽，主动屏蔽的 屏蔽对象为干扰源，是为了防止其产生的电磁能量向外扩散而对外部的敏感源造 成干扰；被动屏蔽的屏蔽对象为敏感源，是为了防止外部电磁波对其产生不良的 影响。 根据屏蔽工作原理的不同，可将电磁屏蔽分为电场屏蔽、磁场屏蔽、电磁场 屏蔽。电磁场屏蔽类型如图2 1 所示。 图2 1 电磁屏蔽类型 f i g u r e2 - 1t h et y p e so f e l e c t r o m a g n e t i cs h i e l d i n g 电磁波沿空间传播是以场的方式进行的，场又分为近场和远场。干扰源与敏 感源之问距离为d ，如果噪声波长九与距离d 之间满足条件 d z 2 万( 2 1 ) 则干扰源的辐射场为远场，反之为近场。近场包含电场和磁场，当干扰源是高电 6 压、小电流时其辐射场主要表现为电场，当干扰源具有低电压和大电流性能时其 辐射场主要表现为磁场。 2 1 1 屏蔽效能 对于电场、磁场、电磁场等不同的辐射场，由于屏蔽机理不同因此采用的方 法也不相同。但为了评价各种屏蔽体的屏蔽作用的大小，通常可以用屏蔽效( s e ， s h i e l d i n ge f f e c t i v e n e s s ) ( 简称屏蔽) 这个物理量来衡量。其定义为空间某点上未 加屏蔽时的电场强度( 或磁场强度) 与加上屏蔽后该点的电场强度( 或磁场强度) 的比值。用公式表示为 s e e ( 招) = 2 0 1 9 ( e 2 巨) ( 2 2 ) 踞( 招) = 2 0 l g ( h 2 h i ) ( 2 3 ) 式中，e ，m 一加上屏蔽后待测点的电场强度和磁场强度； 巨，见一未加屏蔽前待测点的电场强度和磁场强度： s e e ，姬h 一电场屏蔽效能和磁场屏蔽效能。 对于远场而言由于电磁场是统一的整体所以 s e e = s e h = s e 即电场屏蔽效能和磁场屏蔽效能是一致的统称电磁屏蔽效能。 对于近场，辐射场有较大电场分量时，用式( 2 3 ) 表示屏蔽效能；辐射场有 较大磁场分量时，用式( 2 - 4 ) 来表示屏蔽效能。 2 1 2 电场屏蔽原理 电场屏蔽的作用是抑制干扰源与敏感源之间因电场耦合而产生的干扰。无论 是静电场还是交变电场，都是利用金属屏蔽体来切断一个导体的辐射电场对另一 导体的干扰途径来实现屏蔽的。对静电场，利用金属屏蔽体可将电场终止与导体 表面，并通过地线中和导体表面上的感应电荷，从而防止由经典耦合产生的相互 干扰。对于交变电场，电路中的电荷都是流动的，电场也是交变的，因此更容易 因电场耦合而产生干扰，而接地金属屏蔽体的存在可以有效的切断交变电场的干 扰途径。无论是静电场还是交变电场，屏蔽的必要条件除了金属体外和接地。对 于电场屏蔽只要将很薄的金属体接地就能达到良好的效果，并且接地电阻越小， 屏蔽效果越好。 2 1 3 磁场屏蔽原理 7 磁场屏蔽的作用是抑制干扰源和敏感源之间因磁场耦合而产生的干扰。对于 不同频率的磁场屏蔽措施也不不相同。 当磁场频率比较低时( 1 0 0 k h z 以下) ，通常次采用铁磁性材料例如铁、硅钢 片、坡莫合金等进行磁场屏蔽。这是因为铁磁性物质的磁导率比周围空气的磁导 率要大的多，一般约为1 0 3 一1 0 4 倍，因此可以将干扰源发出的磁力线集中在其内部 通过，对于主动屏蔽的效果是可以防止磁力线大量发散空气中对附近的敏感设备 产生干扰，对于被动屏蔽的效果是抑制了磁力线泄露到屏蔽壳体包围的内部空间。 铁磁材料的磁导率越大屏蔽效能越高，此外屏蔽效能还会随着屏蔽层的厚度增加 而增加。从经济因素考虑，可以采用多层屏蔽的方法来增加屏蔽效能。低频磁场 屏蔽的方法在高频时是不适用的，主要是因为铁磁性材料的磁导率随频率的升高 而下降，从而降低了屏蔽效能。 当磁场频率较高时( 1 0 0 k h z 以上) ，通常采用金属良导体，例如铜、铝等。 这是因为当高频磁场穿过金属板时，会在金属板上产生感应电动势，而由于金属 板有很高的电导率，因此会在金属板中形成很大的涡流，涡流又会产生一个反向 的电磁场，并且与穿过金属板的原磁场互相抵消，同时又增加了金属板周围的原 磁场，从而达到了一个使磁力线在金属板四周绕行而过的效果。高频磁场屏蔽原 理如图2 2 。具体来说，当金属盒作为屏蔽体时，其内部的线圈电流产生的高频磁 场会在金属盒内壁产生涡流，从而将原磁场限制在金属体内不会外泄，起到了主 动屏蔽作用；同时金属盒外的高频磁场在涡流的作用下只能绕过金属盒而不能进 入内部，起到了主动屏蔽的效果。 高频磁场 板 图2 - 2 高频磁场屏蔽原理图 f i g u r e2 - 2t h es h i e l d i n gp r i n c i p l eo fh i g h f r e q u e n c ym a g n e t i cf i e l d 由以上分析可以知道，低频时，高磁导率材料的电磁屏蔽效能高于高电导电 8 性材料，当频率较高时，高导电性材料的磁屏蔽效能可能要高于高磁导率材料， 原因是随着频率升高，磁导率降低，波阻抗随之增加导致放射损耗的增加。 2 1 4 电磁场屏蔽原理 电磁场屏蔽的作用是抑制干扰源和敏感源在距离较远时因电磁场耦合产生的 干扰。 电磁场屏蔽是对电场和磁场的同时屏蔽，也就是屏蔽体在电场和磁场同时存 在的情况下起屏蔽作用。我们知道，在近场条件下，即频率较低且离干扰源较近 的情况下，由于电流与电压的大小不同，电场分量与磁场分量的大小也有很大差 别。对于高电压，小电流的干扰源，近场辐射场主要以电场为主，磁场分量可以 忽略；对于大电流，低电压的干扰源，近场辐射场主要以磁场为主，电场分量可 以忽略。在远场条件下，即频率较高且距离干扰源较远时，可以不考虑源的特性 将辐射场看作平面波电磁场，在这种情况下的屏蔽称作电磁场屏蔽。 对电磁场的屏蔽，通常采用电阻率小的良导体。屏蔽机理分为吸收、反射、 多重反射三种。 吸收机理是指透射进屏蔽体的电磁能量，在金属体中产生感应电流，该电流 有产生欧姆损耗并变为热能而耗散，从而使电磁波在金属体中以指数方式很快的 衰减，在还未穿出屏蔽体时就被损耗掉了。 反射机理是指在空气中传播的电磁波到达屏蔽体表面时，由于空气和金属交 界面的阻抗不匹配而发生反射，从而引起电磁波能量的损耗。 多重反射机理是指，电磁波入射到金属表面时，一部分被反射，另一部分在 金属体中被吸收衰减，而还有一部分电磁波的频率不太高，而金属体本身又很薄， 因此电磁波在到达屏蔽体另一表面，并在这个面上再次产生反射，并重新折回 屏蔽体内。如此不断循环直至电磁波能量耗尽。 2 1 5 屏蔽效能的计算 1 实心屏蔽体屏蔽效能的计算 实心屏蔽体是指结构上完整、电气上均匀的金属板或全封闭壳体，是一种理 想情况。图2 3 为电磁波在实心屏蔽体中传播的示意图，屏蔽体左右两侧均为空气， 入射电磁波在左右两个界面上发生反射和透射，在屏蔽体内一部分能量被吸收损 耗。 实心屏蔽体的总屏蔽效能可由式( 2 4 ) 确定 9 式中：s e _ 一屏蔽效能； r _ 表面单次反射损耗； a 一吸收损耗； b 一内部多次反射损耗。 s e = r + a + b ( d b ) 妥 ( 2 - 4 ) 衰减的入射波 图2 3电磁波在屏蔽体中的传播示意图 f i g u r e2 3s k e t c ho fe l e c t r o m a g n e t i cw a v e sp r o p a g a t i o ni ns h i e l d 由电磁学相关知识，可以得到r 、a 、b 的计算公式： a ( d b ) = 1 3 1 b 4 f p r c r r ( 2 - 5 ) 式中厂一频率，h z ； b 一电磁波深入到金属体内的距离，m ； 从一金属体的相对磁导率，h m ； q 一金属体相对于铜的电导率，铜的电导率= 5 8 2 x 1 0s m 。 由公式可以看出，吸收损耗a 与电磁波的类型无关，任何电磁波只要通过屏 蔽体都会产生一定吸收损耗，它与屏蔽体的厚度成线性关系，并且与入射电磁波 频及屏蔽体的磁导率和电导率又一定关系。表2 1 列出了四种常见材料的相对磁导 率和相对电导率。图2 4 画出了这四种材料在不同厚度( 2 r a m 和0 5 m m ) 时的吸 收损耗随频率变化的曲线。 l o 表2 - 1 四种不同材料的所和q t a b l e2 - 1t h ep r 弧矗o ro f f o u rd i f f e r e n tm a t e r i a l s v 钢铁白铁皮缎莫合金 材料 钢铁自铁皮坡莫合金 参数参数 a ， l0 1 7o 1 5o 0 4 k l5 0 0l1 0 0 0 0 粤 琢 辎 塾 螫 一 o 函 - ，7 l，： ， 曼i l 毋驰瓿| 0 0j 溅l l 霹1 0l 绷 频率f 图2 _ 4 不同材料不同厚度金属体的吸收损耗 f i g u r e2 - 4t h ea b s o r p t i o nl o s so fd i f f e r e n tk i n d sa n dd i f f e r e n tt h i c k n e s sm e t a lm a t e r i a l s 由式( 2 5 ) 和图2 4 可以看出金属体越厚吸收损耗越大，并且随着频率的升高吸 收损耗也随之增大，相同厚度下，有较大磁导率的帖磁性材料例如铁、坡莫合金 的吸收损耗要大于良导体，如铜。 由电磁屏蔽机理可知，反射损耗是因电磁波到达两种阻抗不相同的分界面时， 因阻抗不匹配而引起的电磁波能量损耗。反射损耗直接与电磁波在界面的两种介 质中的波阻抗值决定。而电磁波在空气中的波阻抗是由场的类型决定，不仅近场 中的电场与磁场的波阻抗不相同，近场与远场对波阻抗的定义也是不同的。根据 电磁学相关原理，可以得到不同类型场情况下金属体的反射损耗。 对于远场源( 平面电磁波) ： r p ( d b ) = 1 6 8 + 1 0 1 9 l 乏l ( 2 - 6 ) p ，) ) 对于近场源( 以电场源为主) ： 吼( r i b ) = 3 2 1 7 + 1 0 1 9 【赢j ( 2 - 7 ) x , j 于近场源( 以磁场源为主) ： c 扭，= 1 4 6 + 1 0 1 9 ( 譬 协8 ) 现以铜和铁为例画出反射损耗与频率的关系如图2 5 所示。 、 智 、- ， 筐 鬟 羁 餐 谜 入 弋翟 、吣n 、妫 i - - 迅 、 、。 一-公、 a 一平霍 、亡- 一 - 爻 ；p h 、 、 h 一 垒：堡 一_ - - - ，-j k ， j _ 一l_ 一- _ 一一二五l p 垩：军一 一一rl l 蠢宰， 图2 5 铜和铁的反射损耗 f i g u r e2 - 5t h er e f l e c t i o nl o s so fc o p p e ra n di r o n 已知铜板和铁板与干扰源距离为d = l m ，根据远近场判别条件 d ：三：1 m 2 n 可计算出对应的临界频率为 f 0 = 4 7 7 m h z 当f f o 时场类型为远场平面波，当f f o 时为近场，可分为电场和磁场。 由图2 5 和式( 2 6 ) 、( 2 7 ) 、( 2 8 ) 可分析出： ( 1 ) 面波的反射损耗与干扰源至屏蔽体的距离无关。而电场的反射损耗以2 0 1 9 d 的 速率下降，磁场的反射损耗以2 0 1 9d 的速率上升。 ( 2 ) 随着频率的升高，平面波的反射损耗以l o d b 1 0 倍频的速率下降，电场的反射 损耗以3 0 d b 1 0 倍频的速度下降，而磁场的反射损耗以l o d b 1 0 倍频的速度升。 ( 3 ) 同一屏蔽材料对不同类型的场反射损耗不一样，在频率不变条件下通常有尺 廓 r e 。 ( 4 ) 不同屏蔽材料的反射损耗不管场型如何只差一个常数，即1 0 l g ( o , 从) 。铁的 1 2 反射损耗比铜小得多。 吸收损耗a 与反射损耗r 只考虑了电磁波在金属体内传输的一个单程，由图2 3 可以看出电磁波在金属体内有一个反复多次传输的过程，在这个过程中能量也会 被逐渐消耗，因此在计算金属屏蔽效能时应加上多重反射修正因子b ( d b ) 。其表达 式为 a ( d a ) = 2 0 1 9 ( 1 一p 之圳占) ( 2 9 ) 式中b 一金属体厚度： 万一集肤深度。 由式( 2 9 ) 可以看出多重反射修正因子与6 万有关，图2 6 表示除了为b 与6 艿 之间的关系。 均 焱 蛹 倒 骥 l ! 一” 1 ； 。f r 一| f r j 、 、 ： l t 、 、羚 1 瞄 _ - _ _ _ ； 屏蔽体簿凌与氟璇深缆之比 图2 - 6 多重反射的修正冈子 f i g u r e2 - 6t h ec o r r e c t i o nf a c t o ro fm u l t i p l er e f l e c t i o n 由图2 - 6 ，式( 2 9 ) 可知，当金属屏蔽体较厚，频率较高而集肤深度较浅时， 多重反射修正因子的绝对值较小。一般金属体厚度6 1 1 5 6 时，吸收损耗可达 a l o d b ，即电磁波第一次到达右边界时已经衰减得很小了，所以多重反射可以不 考虑。 2 非实心屏蔽体屏蔽效能的计算 在电气上存在不连续的屏蔽体称为非实心型屏蔽体。以电子设备的机箱为例， 由于电气连接电缆进出、通风散热、测试与观察以及电表安装等需要，总需要在 机箱上打孔。另外，构成箱体时总是存在金属面间的接缝。由于这些孔缝的存在， 电磁能量就会通过孔缝泄露，导致屏蔽效能的降低。 金属屏蔽体孔阵形成的电磁泄露，可采用等效传输线法来分析，其屏蔽效能 表达式为 s e = 4 + 兄+ 吃+ k + k 2 + 坞 ( 2 - 1 0 ) 式中：a 的传输衰减；o-：g 兄一孔的单次反射损耗； e 一为多次反射损耗： k 一为与孔个数有关的修正项； 疋一为由集肤深度不同而引入的低频修j 下项； 疋一为由相邻孔间相互耦合而引入的修正项。 式中各参数的单位均为分贝( d b ) ，( 2 1 0 ) 式前三项分别对应于实心型屏蔽体的 屏蔽效能计算式中的吸收损耗、反射损耗和多次反射损耗。后三项是针对非实心 型屏蔽引入的修正项。各项的计算公式如下： 1 )4 项：当入射波频率低于孔的截止频率z ( 按矩形波导孔截止频率计算) 时， 可按下式计算： 彳。= 2 3 7 ( ，w ) ( 2 1 1 ) 式中，a o 为孔的传输衰减( d b ) ，为孔深( c m ) ，为与电场垂直的矩形孔宽度( c i l l ) 。 ( 2 ) 兄项：取决于孔的形状和入射的波阻抗，对于平面波场矩形孔，其值由下式 确定： r , , = - 2 0 1 9 l 南l 协 p = j l w 2 = j 6 6 7 x 1 0 。8 f i r ( 2 1 3 ) 式中，p 为孔的特征阻抗与入射波的波阻抗之比，为矩形孔宽边长度( c 1 1 1 ) ，f 为 频率( h z ) ，五为波长( m ) 。 ( 3 )吃项：当以 1 5d b 时，多次反射修正项由下式确定： 卿吨l 卜器灯训o l 式中p 与式( 2 1 3 ) 中的p 的意义相同，4 由式( 2 11 ) 给出。在频率较高的情况下， 多次反射损耗计算后的值极小，可以忽略不计。 ( 4 )k 。项：当干扰源到屏蔽体的距离比孔间距离大的多时，孔数的修正项由下式 确定 1 4 k i = 一1 0 1 9 ( a n ) ( 2 1 5 ) 式中，a 为m - - 个孔的面积( c m 2 ) ，刀为每平方厘米面积上的孔数。如干扰源非常靠近 屏蔽体，则k 可忽略。 ( 5 ) k 项：当集肤深度接近孔间距( 或金属网丝直径) 时，屏蔽体的屏蔽效能将 有所降低，用集肤深度修正项表示这种效应的影响。 k = _ 2 0 l g ( 1 + 3 5 p - 2 3 ) ( 2 1 6 ) 式中，尸为孔间隔导体宽度与集肤深度之比。在高频情况下，q 很小，成形后该 项仍可以视为0 。 ( 6 ) 墨项：当屏蔽体上各个：f l h t 曼相距很近，且孔深l i i , 孑l 径小很多时，由于相邻 孔之间的耦合作用，屏蔽体将有较高的屏蔽。相邻孔耦合修正项由下式确定： k 3 = 2 0 1 9 c o t h ( 鑫) ( 2 - 1 7 ) 2 2 防电磁辐射服装屏蔽原理 目前，国内外防电磁辐射服装的材料主要有三种【1 1 j 【1 2 】【1 3 】：1 不锈钢纤维。采 用不锈钢纤维与其他化学纤维、棉纤维等混纺形成电磁屏蔽织物。但存在金属纤 维不易牵伸、细纱粗细节多、混和不匀、断头率高等问题；2 多离子涂层。采用多 种金属离子涂敷粘附在普通织物上，形成具有一定电磁屏蔽功能的织物，屏蔽效 能一般在2 0 d b 左右。3 金属镀层。采用化学沉积方法在普通织物表面牢固地“镀” 上一层高导电金属层；这些材料主要是利用防电磁波能力较高的金属纤维或金属 化纤维，例如镍、不锈钢、铜等，由屏蔽机理可知，这些导电性很好的金属对电 磁波具有强烈的反射作用和一定的吸收作用，当电磁波辐射在织物上时，织物中 均匀分布的金属或金属化纤维成为导电介质而将部分电磁波反射回去，从而减少 了电磁波的透过量，随着织物中金属含量的增多，反射能力越强，透过量越小， 屏蔽作用也就越好。据国外纺织研发部f - i n 试：1 不锈钢纤维制成的机织布，在 1 8 0 0 m h z 环境下的电磁屏蔽率为8 8 8 6 ，在2 4 5 0 m h z 有9 2 3 3 的屏蔽率，而含 3 不锈钢金属纤维的机织布，在18 0 0m h z 9 8 4 3 的屏蔽率，在2 4 5 0 m h z 下有 9 8 4 9 的屏蔽率，至于混纺5 的不锈钢纤维，其产品均有9 9 以上的电磁屏蔽率。 对于多离子涂层及金属镀层这样涂层类防电磁辐射织物，其屏蔽原理与金属薄 膜屏蔽原理近似。由于金属薄膜的导电层很薄，吸收损耗几乎可以忽略，因此其 屏蔽效能主要取决于反射损耗，表2 2 给出了铜薄膜在频率为1 m h z 和l g h z 时， 不同厚度的屏蔽效能计算值。由表2 2 可以看出，铜薄膜的屏蔽效能几乎与频率无 1 5 关。但当屏蔽厚度大于2 4 时，由于吸收损耗的增加，多次反射损耗趋于零，屏 蔽效能才随频率的升高而增加。 对于不锈钢纤维这类加入防电磁辐射纤维的织物，通常是将防电磁辐射纤维 加与基体纤维以混纤、混纺、交编、交织等方式混用，其屏蔽原理与网孔结构材 料的屏蔽原理近似。图2 7 为不同网孔密度和网丝直径的紫铜网的屏蔽效能值。由 图分析可知，当频率小于几十兆赫兹时主要是金属网对磁场的反射损耗，屏蔽效 能随频率的升高而增加。当频率大于几十兆赫兹时主要是金属网对平面波电磁场 的反射损耗，屏蔽效能随频率升高而减小。对于丝径相同的金属丝，网孔越小， 屏蔽效能越高。 表2 2 铜薄膜屏蔽层的屏蔽效能 t a b l e2 - 2s h i e l d i n ge f f e c t i v e n e s so fc o p p e rf i l m 屏蔽联脬发强) 1 0 51 2 5 02 1 9 62 1 9 6 0 皴鬻( 潮z ) 王l o11 0 0 0 l 王o o o l王o o o 吸牧损耗a ( d b )0 0 1 40 4 4o 1 65 2o 。2 99 22 99 2 反射掇毵r ( d b ) 1 0 97 91 0 97 91 0 97 91 0 97 9 多泼艇射螺霞系数b ( d b ) - 4 7- 1 7- 2 6一o 6- 2 1o 63 5o 肼款绶娩s ( 拐)i | 5 26 28 38 48 8 9 0 兰0 81 7 1 园 菡 捣 d 皿 辍 氍 噬 。 _ _ 舅= _ ，参。、 忒 z 一 一s 心 一纺y 一蛩、。