真空原理的智能耳塞

張靜 朱亮亮 萬(wàn)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(guó)城市建設(shè)步伐的加快，車輛數(shù)目的不斷增加且人們?nèi)粘Ｗ飨r(shí)間差異的拉大，將會(huì)有更多的噪音產(chǎn)生。目前想要大規(guī)模將建筑安裝隔音層顯然是不現(xiàn)實(shí)的，且仍舊無(wú)法隔絕室內(nèi)噪音，因此佩戴耳塞是一個(gè)相對(duì)來(lái)說(shuō)經(jīng)濟(jì)且有效的方法。

傳統(tǒng)硅膠耳塞具有無(wú)法真正隔絕聲音、舒適度低和不能自動(dòng)從耳朵脫落易使耳道發(fā)炎等缺點(diǎn)，所以他無(wú)法真正幫助人們遠(yuǎn)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(wèn)題的耳塞設(shè)備，而智能耳塞正是基于這一點(diǎn)設(shè)計(jì)的，它的出現(xiàn)將為人們創(chuàng)造一個(gè)舒適、健康的寧?kù)o世界。

1 外形結(jié)構(gòu)及使用材料

由于該設(shè)備工作于外耳道前段區(qū)域，因此該智能耳塞大小與傳統(tǒng)耳塞相近，主要包含兩個(gè)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(duì)控制部更細(xì)長(zhǎng)。圓柱型接觸部?jī)?nèi)部是真空的，外部共分3層，最內(nèi)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(jù)實(shí)際情況也可以有隔熱功能）。

該智能耳塞設(shè)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(tài)溫度（例如鎳鈦記憶合金的變態(tài)溫度為32℃），而其記憶性主要體現(xiàn)為當(dāng)其受熱升溫時(shí)，記憶合金形變方向會(huì)按照其初始形狀變化，因此耳塞可以按照初始預(yù)定方向膨脹，而且記憶合金形變有較強(qiáng)恢復(fù)力，可抵消內(nèi)外空氣壓強(qiáng)不一而造成的壓力。合成硅膠與人體皮膚有較強(qiáng)接觸性，因此當(dāng)接觸部膨脹與外耳道接觸時(shí)，合成硅膠便會(huì)與外耳道內(nèi)壁充分接觸，阻斷聲波從接觸部入耳的途徑。且合成硅膠質(zhì)地柔軟，不會(huì)使外耳道有任何不舒適感。

2 尾端控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

智能耳塞的尾端控制系統(tǒng)主要包含三個(gè)部分：內(nèi)置電源部分、時(shí)鐘部分、微控制器部分。其中，內(nèi)置電源部分主要有內(nèi)置微型鋰電池、穩(wěn)壓電路、電源充接口（與PC連接口共用）、開(kāi)關(guān)式調(diào)節(jié)器。時(shí)鐘部分主要有時(shí)鐘發(fā)生器。微控制器主要部件有各傳感器、中斷控制器、計(jì)時(shí)器、及電流發(fā)生和變壓裝置。

由于設(shè)計(jì)該智能耳塞的初衷就是要制作一種能夠擁有傳統(tǒng)耳塞所不具備的諸多優(yōu)點(diǎn)，從而在市場(chǎng)上能取代傳統(tǒng)耳塞，而其舒適、健康、超強(qiáng)隔音效果等優(yōu)點(diǎn)的體現(xiàn)就需要綜合許多現(xiàn)代科技，接下來(lái)其設(shè)計(jì)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(fù)），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(shù)，這些系數(shù)將會(huì)傳至微處理器，當(dāng)達(dá)到某一閥值（即會(huì)使人耳產(chǎn)生不適應(yīng)感的壓力值）時(shí)，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(guò)這個(gè)值；溫度傳感器主要作用在于當(dāng)微處理器對(duì)壓力做出反應(yīng)后，溫度傳感器采集溫度系數(shù)，微控制器對(duì)電流做出調(diào)整，使合金溫度固定于所需值，從而記憶合金不再發(fā)生形變。

智能耳塞之所以健康是因?yàn)樗恍枰獋鹘y(tǒng)耳塞那樣整晚呆在耳朵里而使耳道發(fā)炎，其擁有自動(dòng)關(guān)機(jī)的功能，在集成器件中裝有一時(shí)鐘發(fā)生器，外部連接一晶振，微控制器上連有一計(jì)時(shí)器且可以在PC端下載（連接口在微控制器部件中已介紹）計(jì)時(shí)器程序，通過(guò)改變程序可改變耳塞待機(jī)時(shí)長(zhǎng)，當(dāng)耳塞開(kāi)機(jī)后各計(jì)時(shí)部件即開(kāi)始工作，計(jì)時(shí)器到時(shí)時(shí)微控制器十點(diǎn)使電源中斷，記憶合金因熱量來(lái)源消失開(kāi)始降溫回縮，不久后將與外耳道脫離接觸從耳朵內(nèi)滑出。

智能耳塞的超強(qiáng)隔音效果來(lái)源于其全新的隔音方式——真空層隔音，由于接觸部?jī)?nèi)部是完全真空的，而記憶合金變形時(shí)亦不會(huì)將任何氣體帶入，因此當(dāng)接觸部膨脹至與外耳道完全接觸后就會(huì)在外耳道前段形成一個(gè)真空層，整個(gè)設(shè)計(jì)的核心正是 “聲波無(wú)法在真空中傳播”這一基本物理定律。

工作流程簡(jiǎn)要分以下四點(diǎn)

1.小型開(kāi)關(guān)手動(dòng)開(kāi)啟后，計(jì)時(shí)器即開(kāi)始按程序計(jì)時(shí)，同時(shí)集成器件中產(chǎn)生電流。

2.記憶合金升溫，開(kāi)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(shí)溫度傳感器和壓力傳感器開(kāi)始采集各系數(shù)于微控制器。

3.當(dāng)壓力達(dá)到某系數(shù)時(shí)，微控制器即控制中斷，產(chǎn)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(jì)時(shí)器到時(shí)，設(shè)備完全關(guān)閉，合金降溫回縮，耳塞與外耳道脫離從耳朵脫落。

較之傳統(tǒng)耳塞，智能耳塞在正常工作后是靜止與外耳道內(nèi)，因此它不會(huì)像傳統(tǒng)耳塞那樣對(duì)外耳道有一種持續(xù)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?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)關(guān)機(jī)，因此，它不會(huì)想傳統(tǒng)耳塞那樣長(zhǎng)時(shí)間停留在耳朵里造成耳道的發(fā)炎；最后，智能耳塞采用的是全新的隔音方式，能夠?qū)崿F(xiàn)最大限度的隔音，使人耳在其正常工作時(shí)幾乎無(wú)法聽(tīng)到外界的任何聲音。