基于TRIZ解決木質(zhì)微穿孔吸聲板孔隙率和強度的沖突1)

陳廣勝 郭禾苗 于海鵬 程如東

(東北林業(yè)大學(xué)，哈爾濱，150040)

木質(zhì)微穿孔吸聲板具有吸聲性能好、造型美觀、色澤華貴、立體感強、材質(zhì)輕、加工容易、組裝簡便等特點，因而它一出現(xiàn)就受到廣大消費者的歡迎。但是現(xiàn)在市場上的木質(zhì)微穿孔吸聲板的產(chǎn)品種類比較單一，也存在一些有待于改進和發(fā)展的地方，不能滿足顧客多樣性的需求，為繼續(xù)保持該產(chǎn)品的生命力和市場競爭力就要對現(xiàn)有的技術(shù)和產(chǎn)品進行改造升級，但其相關(guān)理論基礎(chǔ)和技術(shù)積累相對薄弱，國內(nèi)外對此的研究較少。

TRIZ理論提供了系統(tǒng)化解決沖突的方法和算法，其基本原理是技術(shù)系統(tǒng)在消除內(nèi)部沖突的進化過程中遵循客觀的規(guī)律。它有一個各種創(chuàng)新的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，有非常具體的操作指南，并給出了確定的結(jié)果，以及豐富的實例，這就為創(chuàng)新帶來了極大的便利。文中基于TRIZ沖突解決原理抽象出提高木質(zhì)微穿孔吸聲板穿孔率與板強度的物理沖突和技術(shù)沖突，并用技術(shù)沖突矩陣和分離原理分析孔隙率提高與強度降低的沖突，再通過查找專利數(shù)據(jù)庫得出提高木質(zhì)微穿孔吸聲板孔隙率、但不降低其板強度的解決方案。

1 TRIZ相關(guān)理論基礎(chǔ)

TRIZ是“創(chuàng)造性解決問題的方法”的俄文簡稱，英文簡稱“TIPS”(Theory of Inventive Problem Solving)。該理論是前蘇聯(lián)發(fā)明家阿奇舒勒基于人們在解決發(fā)明問題過程中，遵循科學(xué)原理和技術(shù)進化法則這一種客觀存在的思想，與前蘇聯(lián)的科學(xué)家們一起，經(jīng)過50多年對數(shù)以百萬計的專利文獻(xiàn)和自然科學(xué)知識的研究、整理和歸納，最終建立的一套系統(tǒng)化的、實用的、解決發(fā)明問題的理論和方法體系［1］。它是基于知識、面向人類系統(tǒng)化解決發(fā)明問題的方法學(xué)，其主要內(nèi)容包括：產(chǎn)品進化理論、40條發(fā)明原理、39項工程參數(shù)、物理沖突矩陣、物質(zhì)—場分析、76個發(fā)明問題標(biāo)準(zhǔn)解決方法、發(fā)明問題解決算法，以及科學(xué)技術(shù)成果數(shù)據(jù)庫等。

TRIZ作為一種創(chuàng)新性解決問題的方法，其主要流程如圖1所示。應(yīng)用TRIZ的第1步是明確問題，對給定的問題進行分析，把實際問題轉(zhuǎn)化為TRIZ問題，并應(yīng)用沖突矩陣和發(fā)明原理去解決，或者應(yīng)用物質(zhì)—場分析法尋找標(biāo)準(zhǔn)解;第2步是通過標(biāo)準(zhǔn)解轉(zhuǎn)化為實際解決方案;第3步是方案的實施［2］。

圖1 TRIZ解決問題的一般流程

TRIZ中的沖突包括物理沖突和技術(shù)沖突，物理沖突主要采取分離原理。技術(shù)沖突是指一個作用同時導(dǎo)致有用及有害2種結(jié)果，常表現(xiàn)為一個系統(tǒng)中2個子系統(tǒng)之間的沖突［3］。

對于技術(shù)沖突，TRIZ給出了描述技術(shù)沖突的39個工程參數(shù)，每一對技術(shù)沖突都可用39個工程參數(shù)中的2個來描述，而對于每一對技術(shù)沖突TRIZ都給出了幾條創(chuàng)新解，這些創(chuàng)新解被歸納為40條發(fā)明原理。由39個工程參數(shù)和40條發(fā)明原理構(gòu)成了TRIZ理論的技術(shù)沖突解決矩陣。該矩陣為39×39矩陣，矩陣的第1列為使系統(tǒng)進步的工程參數(shù)，第1行為使系統(tǒng)惡化的工程參數(shù)，行與列交叉處的數(shù)字是推薦采用的40條發(fā)明原理的序號［4-9］。

對于物理沖突，TRIZ理論提出4種分離原理來解決，即空間分離、時間分離、條件分離，以及整體與部分分離。TRIZ理論提出了解決物理沖突的分離原理和解決技術(shù)沖突的發(fā)明原理之間存在關(guān)系，對于每一條分離原理，可以有多條發(fā)明原理與之對應(yīng)。

2 TRIZ在提高木質(zhì)微穿孔吸聲板孔隙率改進方案中的應(yīng)用

2.1 問題描述

木質(zhì)微穿孔吸聲板是模擬亥姆霍茲共振器的一類吸聲板，聲音通過狹縫傳入到木質(zhì)微穿孔吸聲板的基材中，在狹縫中震動，其中打孔措施對提高木質(zhì)材料中、低頻的吸聲率有很大影響，在相同孔徑、孔深時，吸聲系數(shù)會隨孔隙率的增大而提高，并且孔隙率的影響要大于孔徑和孔深。但是孔隙率增加后，木質(zhì)微穿孔吸聲板的強度就會降低［10］。

2.2 理想解

較大的孔隙率，較高的強度，實現(xiàn)木質(zhì)微穿孔吸聲板最優(yōu)的吸聲性能。

2.3 建立沖突矩陣和探尋發(fā)明原理

應(yīng)用TRIZ理論解決上述沖突，首先要確定木質(zhì)微穿孔吸聲板沖突的雙方，一個是吸聲性能的提高要增加孔隙率;另一個是孔隙率增加后木質(zhì)微穿孔吸聲板的強度會降低。欲改善參數(shù)是：木質(zhì)微穿孔吸聲板孔隙率的增加，即第26個通用工程參數(shù)“物質(zhì)的量”;防惡化參數(shù)是：木質(zhì)微穿孔吸聲板強度降低，即第14個通用工程參數(shù)“強度”。明確了二者在沖突矩陣中的對應(yīng)關(guān)系，通過查沖突矩陣表可找到發(fā)明創(chuàng)新的原理 14、35、34、10(表1)。

表1 解決孔隙率提高與強度降低沖突的4條發(fā)明原理

另外，考慮物理沖突，即孔隙率既要大又要小，通過查找分離原理和發(fā)明原理的關(guān)系，找到整體與部分分離原理，即將沖突雙方在不同的層次分離，以解決問題或降低解決問題的難度。

2.4 查找專利庫和應(yīng)用發(fā)明原理

根據(jù)木質(zhì)吸聲板的技術(shù)沖突查找矛盾矩陣表得到4條發(fā)明創(chuàng)新原理，以及物理沖突中的整體與部分分離原理。通過查找中華人民共和國國家知識產(chǎn)權(quán)局的專利數(shù)據(jù)庫，發(fā)現(xiàn)了一些專利符合發(fā)明創(chuàng)新原理，并可能對解決這個沖突有借鑒意義。

國家實用新型專利200720127248.6X“微穿孔蜂窩夾層吸聲裝飾板”，介紹了一種微穿孔的蜂窩夾層板(圖2)，該板包括面板、芯層、背板，芯層呈蜂窩狀結(jié)構(gòu)，密度低，質(zhì)量輕，耐潮濕;剛性好，表面平整，機械性能高，便于裝配化施工;具有裝飾、吸聲雙重功能［11］。

圖2 木質(zhì)微穿孔吸聲板

受專利200720127248.6X的啟示，結(jié)合創(chuàng)新原理35，可以采用蜂窩狀夾層代替原產(chǎn)品的芯層，使板的機械強度提高，從而可在提高木質(zhì)微穿孔吸聲板孔隙率的同時確保其強度不降低;同時穿孔后該板從結(jié)構(gòu)上更加符合亥姆霍茲共振器的形式，對于其特征頻帶的吸聲效果更佳(圖3)。

圖3 微穿孔蜂窩狀夾層吸聲裝飾板

國家實用新型專利200320119033.5X“加強式蜂窩狀夾層復(fù)合板”，介紹了1種帶有加強根的蜂窩夾層復(fù)合板，它包括面板、底板和夾層，所述夾層是蜂窩狀夾層，其中可設(shè)置加強根，該加強根可以是一維或二維空間直線或曲線分布延伸。該板美觀大方、堅固耐用，兼裝飾和吸聲雙重功能［12］。

受專利200320119033.5X的啟示，結(jié)合創(chuàng)新原理10，可以在中間的蜂窩狀夾層3中事先加入加強根4，使復(fù)合板的強度有所提高，從而可在提高木質(zhì)微穿孔吸聲板孔隙率的同時確保其強度不降低(圖4)。

國家發(fā)明專利200710027607.X“可調(diào)節(jié)吸聲功能的板結(jié)構(gòu)”，公開了1種具有可調(diào)節(jié)吸聲功能的板結(jié)構(gòu)。該發(fā)明在兩平行布置的裝飾板材間形成一槽型間隙，槽型間隙里依間隙的長度和寬度架設(shè)一帶通孔的并可相對于固定板的上面設(shè)置不少于1塊帶通孔的并可相對于固定板縱向或橫向滑動的活動板。通過在兩平行布置的裝飾板材間的槽型間隙設(shè)有可相對縱向或橫向移動的帶孔板來實現(xiàn)吸聲功能的靈活調(diào)節(jié)。本發(fā)明兼提高孔隙率和可調(diào)節(jié)吸聲功能雙重優(yōu)點，綜合性能優(yōu)良，并且具有明顯的復(fù)合改良效應(yīng)［13］。

圖4 加強式蜂窩狀夾層復(fù)合板

受專利200710027607.X的啟示，結(jié)合創(chuàng)新原理14以及整體與部分分離的原理，可通過移動孔隙率較高的帶孔板靈活調(diào)節(jié)吸聲功能，使木質(zhì)微穿孔吸聲板的吸聲性能得到提高，這樣就可以使該沖突得到一定程度的解決(圖5)。

圖5 可調(diào)節(jié)吸聲功能的板結(jié)構(gòu)

2.5 沖突解決可選方案分析

通過上述分析，可以得到解決提高孔隙率和防止板強度降低這一對矛盾的可選解決方案(表2)。

表2 解決提高孔隙率與板強度降低沖突的可選方案

3 結(jié)語

基于TRIZ沖突解決原理抽象出提高木質(zhì)微穿孔吸聲板孔隙率的物理沖突和技術(shù)沖突，并用技術(shù)沖突矩陣和分離原理解決孔隙率提高與板強度降低的沖突，再通過查找專利數(shù)據(jù)庫得出提高木質(zhì)微穿孔吸聲板孔隙率的3種可參考的解決方案，即采用微穿孔蜂窩狀夾層吸聲裝飾板、加強式蜂窩狀夾層復(fù)合板和可調(diào)節(jié)吸聲功能的板結(jié)構(gòu)。

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