真空原理的智能耳塞

張靜 朱亮亮 萬德勝 王文暉

摘 要：噪音污染一直就困擾著人們的日常生活，影響人們的正常作息。隨著我國城市建設步伐的加快，車輛數目的不斷增加且人們日常作息時間差異的拉大，將會有更多的噪音產生。目前想要大規模將建筑安裝隔音層顯然是不現實的，且仍舊無法隔絕室內噪音，因此佩戴耳塞是一個相對來說經濟且有效的方法。

傳統硅膠耳塞具有無法真正隔絕聲音、舒適度低和不能自動從耳朵脫落易使耳道發炎等缺點，所以他無法真正幫助人們遠離噪音污染，因此我們需要一款真正能夠幫助人們解決這些問題的耳塞設備，而智能耳塞正是基于這一點設計的，它的出現將為人們創造一個舒適、健康的寧靜世界。

1 外形結構及使用材料

由于該設備工作于外耳道前段區域，因此該智能耳塞大小與傳統耳塞相近，主要包含兩個部分，即與外耳道前段相接觸的接觸部和尾端控制部，二者都為圓柱形且于同一軸線相接，接觸部相對控制部更細長。圓柱型接觸部內部是真空的，外部共分3層，最內端為記憶合金的金屬層，最外端為合成硅膠表面，中間為兩材料的粘合面（根據實際情況也可以有隔熱功能）。

該智能耳塞設備接觸部主要使用的材料有記憶合金，合成硅膠。由于記憶合金具有在特定溫度下變形的特性，其具有某一特定形變溫度，即變態溫度（例如鎳鈦記憶合金的變態溫度為32℃），而其記憶性主要體現為當其受熱升溫時，記憶合金形變方向會按照其初始形狀變化，因此耳塞可以按照初始預定方向膨脹，而且記憶合金形變有較強恢復力，可抵消內外空氣壓強不一而造成的壓力。合成硅膠與人體皮膚有較強接觸性，因此當接觸部膨脹與外耳道接觸時，合成硅膠便會與外耳道內壁充分接觸，阻斷聲波從接觸部入耳的途徑。且合成硅膠質地柔軟，不會使外耳道有任何不舒適感。

2 尾端控制系統的設計

智能耳塞的尾端控制系統主要包含三個部分：內置電源部分、時鐘部分、微控制器部分。其中，內置電源部分主要有內置微型鋰電池、穩壓電路、電源充接口（與PC連接口共用）、開關式調節器。時鐘部分主要有時鐘發生器。微控制器主要部件有各傳感器、中斷控制器、計時器、及電流發生和變壓裝置。

由于設計該智能耳塞的初衷就是要制作一種能夠擁有傳統耳塞所不具備的諸多優點，從而在市場上能取代傳統耳塞，而其舒適、健康、超強隔音效果等優點的體現就需要綜合許多現代科技，接下來其設計方案和工作流程。

為使智能耳塞佩戴感舒適，使用合成硅膠作為其接觸部外表面（在前文材料選擇中已敘述這里不再重復），合成硅膠層和記憶合金層分別接有壓力傳感器和溫度傳感器，壓力傳感器采集耳塞接觸部和外耳道接觸面間的壓力系數，這些系數將會傳至微處理器，當達到某一閥值（即會使人耳產生不適應感的壓力值）時，微處理器立即控制中斷，因此耳塞與接觸部與外耳道間壓力始終不超過這個值；溫度傳感器主要作用在于當微處理器對壓力做出反應后，溫度傳感器采集溫度系數，微控制器對電流做出調整，使合金溫度固定于所需值，從而記憶合金不再發生形變。

智能耳塞之所以健康是因為它不需要傳統耳塞那樣整晚呆在耳朵里而使耳道發炎，其擁有自動關機的功能，在集成器件中裝有一時鐘發生器，外部連接一晶振，微控制器上連有一計時器且可以在PC端下載（連接口在微控制器部件中已介紹）計時器程序，通過改變程序可改變耳塞待機時長，當耳塞開機后各計時部件即開始工作，計時器到時時微控制器十點使電源中斷，記憶合金因熱量來源消失開始降溫回縮，不久后將與外耳道脫離接觸從耳朵內滑出。

智能耳塞的超強隔音效果來源于其全新的隔音方式——真空層隔音，由于接觸部內部是完全真空的，而記憶合金變形時亦不會將任何氣體帶入，因此當接觸部膨脹至與外耳道完全接觸后就會在外耳道前段形成一個真空層，整個設計的核心正是 “聲波無法在真空中傳播”這一基本物理定律。

工作流程簡要分以下四點

1.小型開關手動開啟后，計時器即開始按程序計時，同時集成器件中產生電流。

2.記憶合金升溫，開始膨脹變形，耳塞外部合成硅膠層與外耳道前段緊密接觸，同時溫度傳感器和壓力傳感器開始采集各系數于微控制器。

3.當壓力達到某系數時，微控制器即控制中斷，產熱隨即減慢或停止，記憶合金溫度不再變化，保持與某一恒定形狀。

4.計時器到時，設備完全關閉，合金降溫回縮，耳塞與外耳道脫離從耳朵脫落。

較之傳統耳塞，智能耳塞在正常工作后是靜止與外耳道內，因此它不會像傳統耳塞那樣對外耳道有一種持續的壓力因而智能耳塞佩戴感就更加舒適；其次，智能耳塞能夠實現自動關機，因此，它不會想傳統耳塞那樣長時間停留在耳朵里造成耳道的發炎；最后，智能耳塞采用的是全新的隔音方式，能夠實現最大限度的隔音，使人耳在其正常工作時幾乎無法聽到外界的任何聲音。