ОЦЕНКА ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ СВОЙСТВ МАТЕРИАЛОВ ДЛЯ ОДЕЖДЫ В МИКРОВОЛНОВОМ ДИАПАЗОНЕ

January 22, 2013 by admin Комментировать »

Скрипник Ю. О., Шевченко К. Л., Яненко А. Ф. Киевский национальный университет технологий и дизайна ул. Немировича-Данченко, 2, г. Киев, 01011, Украина тел.: 044 2562993, e-mail: autom@i.com.ua

Аннотация – Рассмотрены новые методы подхода к оценке комфортности одежды бытового и специального назначения с учетом электрофизических характеристик материалов, которые используются для ее изготовления.

I.                                       Введение

Между окружающей средой и телом человека постоянно происходит взаимодействие электромагнитных излучений. Наиболее интенсивно оно проявляется в инфракрасной области длин волн, следствием чего является тепловое равновесие человека и окружающей среды. Не менее важен и обмен электромагнитной энергией в области миллиметровых и сантиметровых радиоволн.

Установлено, что помимо равновесного радиоте- плового излучения, человеку, как живому существу, свойственно когерентное электромагнитное излучение клеток, резонансные частоты которых лежат в миллиметровом диапазоне длин волн (10^°… 10^^ Гц). Вне тела человека из-за преломления и поглощения в кожном покрове это излучение сильно слабеет и нарушается его когерентность. Но его информационные и управляющие свойства сохраняются и обнаруживаются при взаимодействии с другими биологическими объектами и окружающей средой.

Материалы для одежды являются своеобразным экраном, препятствующим излучению биоинформа- ционной составляющей поля человека и ослабляющим влияние внешних электромагнитных факторов. Одежда является диэлектрическим покрытием, через которое излучение тела проходит с относительно малым затуханием . Но из за различия диэлектрических свойств материалов для одежды и кожи на их границе раздела происходит отражение электромагнитных волн. Это и препятствует свободному обмену электромагнитной энергией между внутренним источником излучения человека и внешними источниками. Так, если относительная диэлектрическая проницаемость кожи составляет 14… 16 единиц, то хлопчатобумажные нити имеют 8… 10 единиц, капрон и другие синтетические нити 2,7…4,5 единиц. Однако оценка комфортности только по диэлектрической проницаемости материалов для одежды недостаточна, так как не учитывается затухание электромагнитного излучения по толщине материала, а также его излучательная способность в окружающую среду [1].

II.                               Основная часть

Наибольшее распространение получили методы оценки комфортности [2], суть которых заключается в том, что исследуемый материал размещают на металлическом сердечнике с вмонтированным электрическим нагревателем, тепловое излучение от которого измеряют.. При этом регистрируют два значения температуры: при непосредственном контакте термоэлектрического датчика с материалом и при удалении его на фиксированное расстояние. Комфортность материала оценивают по его излучатель- ной способности, определяемой по разнице измеренных термоЭДС.

Однако такой метод характеризует только тепловой комфорт человека и не отражает возможные состояния физиологического дискомфорта при воздействии радиочастотных полей. Поэтому одежда, которая хорошо защищает от холода или тепловых воздействий, может оказаться совсем непригодной в зонах с высокому уровнем радиоизлучения.

Известны также методы оценки комфортности материалов для одежды [3], состоящие в том, что образец исследуемого материала размещают на коже человека и принимают антенной электромагнитное излучение, проходящее через материал. Кроме того, метод включает измерение коэффициента излучения исследуемого материала при его нагреве до температуры 37,0 ± 0,5°С.

При этом измеряется только излучательная способность нагретых материалов, но не учитывается их отражающая и поглощательная способность. Из за чрезвычайно низкого уровня радиотеплового излучения человека при температуре 37°С (не большее 10’”"’ Вт/см^) точность измерения интенсивности электромагнитного излучения невысока, что не позволяет достоверно оценивать комфортность материалов для повседневной и защитной одежды.

Авторами предложен метод оценки комфортности материалов одежды. Функциональная схема устройства, позволяющего осуществлять проверку материалов одежды в электромагнитном поле человека и количественно оценивать комфортность этих материалов, показана на рис.1.

Устройство работает следующим образом.

На поверхности кожного покрова человека размещают образец исследуемого материала 2. Электромагнитное излучение человека частично отражается от образца материала, частично поглощается и рассеивается в нем. Прошедшая часть излучения принимается антенной 3. Поскольку материал находится в контакте с кожей человека, он приобретает близкую к ней температуру и сам излучает электромагнитные волны. Антенной 3 принимается как прошедшее через образец электромагнитное излучение человека, так и радиотепловое излучение самого материала.

Отношение мощности принятого излучения к мощности, которую излучает человек, можно охарактеризовать обобщенным коэффициентом радиопрозрачности, который учитывает все виды потерь и генерацию вторичного излучение. С учетом коэффициента радиопрозрачности сигнал, принятый антенной, можно представить в виде:

)

где-дисперсия исходного сигнала антенны; S^ – чувствительность антенны; – мощность излучения на внешней стороне материала; – мощность излучения человека; Q – коэффициент радиопрозрачности материала.

Рис. 1. Функциональная схема устройства для оценки комфортности материалов одежды.

Fig. 1. Function layout of the device for estimation of clothes materials comfort

Исходный сигнал антенны через аттенюатор 4 поступает на вход автоматического ключа 6 радиометра 5. Интенсивность излучения человека в радиочастотном диапазоне очень мала (меньше 10′ Вт/см^). Принятое антенной излучение еще меньше и сопоставимо с мощностью собственных шумов радиометра. Входной сигнал усилителя высокой частоты 9 представляет собой смесь полезного сигнала и собственного шума усилителя. Шумы усилителя и сигнал антенны независимы и некоррели- рованы, поэтому дисперсию сигнала на выходе усилителя 9 представим как:

где – коэффициент усиления высокочастотного усилителя по мощности; а – коэффициент передачи аттенюатора по мощности; – дисперсия собственных шумов высокочастотного усилителя при замкнутом автоматическом ключе.

При замкнутом ключе 6 уровень шума мал, так как определяется выходным сопротивлением аттенюатора, которое значительно меньше входного сопротивления усилителя

Усиленный сигнал (2) выпрямляется квадратичным детектором 10, а квадратичное усиленное напряжение усредняется фильтром :

)

где символ “ означает операцию усреднения; крутизна преобразования квадратичного детектора.

При разомкнутом ключе 6 вход усилителя 9 отключается от аттенюатора. Собственные шумы усилителя при этом возрастают до уровня, который определяется значением его входного сопротивления. Поскольку сигнал антенны из за разрыва ключа на вход усилителя не поступает, то усиливается только возросший собственный шум. Поэтому дисперсия выходного сигнала усилителя возрастает до значения

)

где– дисперсия собственных шумов усилителя

при разомкнутом ключе

Выходное усредненное напряжение квадратичного детектора при этом принимает значение:

При периодической работе ключа 6 под управлением генератора низкой частоты на выходе квадратичного детектора формируется последовательность видеоимпульсов с амплитудами (3) и (5). Усилителем НИЗКОЙ частоты 11 выделяется и усиливается переменная составляющая этого напряжения с амплитудой:

Переменное напряжение (6) выпрямляется синхронным детектором 12 и сглаживается фильтром НИЖНИХ частот 13. Выпрямленное напряжение с учетом выражения (1) представим как:

где – коэффициент усиления усилителя низкой частоты; – коэффициент выпрямления синхронного детектора; – коэффициент передачи фильтра НИЖНИХ частот.

Напряжение (7) фиксируется индикатором нуля. Коэффициент передачи а аттенюатора изменяют до достижения нулевых показаний индикатора. При этом выполняется условие:

I

где – коэффициент передачи аттенюатора, отвечающий нулевым показаниям индикатора.

При выводе материала из зоны приема антенны (что эквивалентно соотношению β = 1), нарушается

условие (7). Регулировкой аттенюатора 4 снова добиваются нулевых показаний индикатора

где – коэффициент передачи аттенюатора при

повторном обнулении индикатора < а^).

Из выражения (9) определяют разность мощностей шума усилителя при замкнутом и разомкнутом состояниях ключа:

С учетом (8) коэффициент Q :

Коэффициент Q определяется по двум значениям коэффициента передачи переменного аттенюатора. Стандартные аттенюаторы градуируют в логарифмических единицах, характеризующих ослабление А электромагнитной энергии. Показания аттенюатора при нулевых показаниях радиометра переводят в относительные единицы по известной формуле:

где А – ослабление аттенюатора в дБ.

Если повседневная одежда не задерживает электромагнитное излучение человека, комфортность такой одежды можно считать равной 100% (β = 1).

Отражение части электромагнитной энергии или поглощение ее в материале одежды, в особенности при ее увлажнении, нарушают условия свободного энергетического и информационного обмена. При этом комфортность одежды снижается.

Выражение (11) служит количественной оценкой степени комфортности повседневной одежды. При этом на значение коэффициента Q не влияют нестабильность параметров радиометра и уровень собственных шумов высокочастотного усилителя. Погрешность определения коэффициента Q определяется только градуировкой переменного аттенюатора 4, которая для радиочастотного диапазона не превышает долей процента.

Если одежда предназначена для защиты человека от внешних техногенных электромагнитных полей, ее радиопрозрачность должна быть невысокой {Q«l). Поэтому комфортность защитной одежды

должна оцениваться по критерию (l-g)-100%. В случае полного экранирования тела человека от внешнего излучения {Q = 0) комфортность такой одежды также следует оценивать в 100%. При увеличении коэффициента радиопрозрачности {Q>0)

соответственно снижается комфортность защитной одежды:

)

Поэтому комфортность защитной одежды следует оценивать коэффициентом экранирования W, который оценивают по формуле:

I

-•1

III.                                   Заключение

Таким образом, измерив коэффициент радиопрозрачности (11), или экранирования (14) материала предлагаемым способом, можно количественно оценить степень комфортности одежды в зависимости от ее назначения (повседневная или защитная). В свою очередь радиопрозрачность или экранирующая способность материала зависят от структуры ткани и электрофизических свойств нитей, образующих эту структуру, что можно оценить экспериментально с помощью аттенюатора и радиометра.

IV.                            Список литературы

[1]  Дель Р. А., Афанасьева Р. Ф., Чубарова 3. С. Гигиена одежды: Учебное пособие для вузов. – М.: Легпромбыт- издат, 1991 – 346 с.

[2]  Гуина К. Г., Беляева С. А., Командрикова Е. Я. и др. Эксплуатационные свойства материалов для одежды и методы оценки их качества. – М.: Легкая и пищевая промышленность, 1984-с. 268-270.

[3]  Островецкая Ю. И., Супрун Н. П., Скрипник Ю. А., Яненко А. Ф. Микроволновая оценка комфортности материалов для одежды// Материалы 12 международной кон- фернции «СВЧ – Техника и телекоммуникационные технологии». (КрыМиКо’2002) – Севастополь, «Вебер»,

2002,-С. 561-562.

ESTIMATION OF PHYSICAL PROPERTIES OF CLOTHING MATERIALS IN THE MICROWAVE BAND

SkripnikYu., Shevchenko K, Yanenko A.

Kiev National University of Technologies and Design

Nemirovich-Danchenko st., 2, Kiev, 01011, Ukraine Ph.: 044 2562993, e-mail: autom@i.com.ua

Abstract – The new methods ofthe approach to an estimation of household and special purpose comfort clothes are considered in view of the electrophysical characteristics of materials, which are used for its manufacturing.

I.                                         Introduction

Between an environment and body of the man constantly there is an interaction of electromagnetic radiations. Most intensively it is shown in infra-red area of lengths of waves, a consequence that is the thermal balance of the man both environment. Is not less important also exchange of electromagnetic energy in area milimetric and centimetric radiowaves.

The materials for clothes are the original screen interfering radiation by a bioinformation component of a field of the man and weakening influence of the external electromagnetic factors. The clothes are dielectrics a covering, through which radiation of a body passes with rather small attenuation. But from for distinction dielectrics of properties of materials for clothes and leather on their border undressed there is a reflection of electromagnetic waves.

It is possible to characterize the attitude of capacity of the accepted radiation to capacity, which is radiated by the man, generalized factor of a radiotransparency, which takes into account all kinds of losses and generation secondary radiation. In view of factor of a radiotransparency signal accepted by the aerial, is possible to present as (1).

II.                                        Main Part

The authors offer a method of an estimation of comfort of materials of clothes in an electromagnetic field ofthe man. The function chart ofthe device allowing to carry out check of materials of clothes in an electromagnetic field of the man and quantitatively to estimate comfort of these materials, is shown in a fig. 1.

On a surface of a skin cover ofthe man place a sample of a researched material 2. The electromagnetic radiation of the man is partially reflected from a sample of a material, is partially absorbed and dissipates in it(him). The past part of radiation is accepted by the aerial 3. As the material is in contact to a leather(skin) of the man, it(he) gets temperature, close to it,(her,) and itself radiates electromagnetic waves. The aerial 3 accepts as past through a sample electromagnetic radiation of the man, and radiothermal radiation ofthe material.

If the daily clothes do not detain electromagnetic radiation of the man, the comfort of such clothes is possible to con- sider(count) equal 100 % (β = 1).

If the clothes are intended for protection of the man from external technical of electromagnetic fields, its(her) radiotransparency should be low (Q « 1). Therefore comfort of protective clothes should be estimated by criterion.

III.                                       Conclusion

Thus, having measured factor of a radiotransparency (11), or shielding (14) materials by an offered way, are possible quantitatively are to estimated by a degree of comfort of clothes depending on its purpose (daily or protective). In turn radiotransparency or shielding ability of a material depend on structure of a fabric and physical properties of strings forming this structure, that it is possible to estimate experimentally with the help attenuated and radiometer

Источник: Материалы Международной Крымской конференции «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии», 2006г. 

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты