便攜式超聲波隔音器

孫筱韻 盛小麗 周雪杰 李慕翎

摘? 要：聲音的傳播是介質(zhì)的振動(dòng)，在該文中也就是空氣的振動(dòng)，空氣的振動(dòng)形成壓力，進(jìn)而形成聲波。而聲波的傳播也是會(huì)有阻力的，就像人在奔跑過(guò)程中，跑的越快，受到的阻力越大。所以要找到讓空氣分子振動(dòng)更快的聲波，讓它在聲波前進(jìn)的途中形成“結(jié)界”去阻止它前進(jìn)，從而達(dá)到隔音的效果。該文中通過(guò)磁致伸縮換能器、變頻器來(lái)完成這一過(guò)程。

關(guān)鍵詞：便攜? 超聲波? 壓電效應(yīng)? 磁致伸縮效應(yīng)? 隔音器

中圖分類號(hào)：O426.9? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1672-3791（2019）04（b）-0061-02

1? 聲音的產(chǎn)生與傳播

聲音是由物體的振動(dòng)產(chǎn)生的聲波，通過(guò)介質(zhì)（固、液、氣）傳播，被人或動(dòng)物的聽(tīng)覺(jué)器官所感知的波動(dòng)現(xiàn)象。

聲音是一種壓力波，當(dāng)你拍打桌面、放手機(jī)、拍手時(shí)都會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)，這些振動(dòng)會(huì)引起介質(zhì)——空氣分子有節(jié)奏地運(yùn)動(dòng)，從而使周?chē)牡目諝猱a(chǎn)生疏密變化，形成疏密相間的縱波，這就是聲波。能被人耳所聽(tīng)到的聲音頻率在20～20000Hz，頻率低于20Hz的是次聲波，高于20000Hz的是超聲波[1]。由上述理論可以知道空氣是聲音傳播的重要介質(zhì)。

2? 噪聲及隔音需求

聲音由于傳播介質(zhì)的不同，分為空氣聲、水聲、固體聲等。噪聲檢測(cè)主要指空氣聲。噪聲的來(lái)源有4種：一是交通工具產(chǎn)生的噪聲，包括汽車(chē)、火車(chē)和飛機(jī)等所產(chǎn)生的噪聲;二是工廠機(jī)器在工作時(shí)產(chǎn)生的噪聲，如鼓風(fēng)機(jī)、織布機(jī)和沖床等所產(chǎn)生的噪聲;三是建筑工地在不合理時(shí)間內(nèi)施工產(chǎn)生的施工噪聲，像挖土機(jī)和混凝土攪拌機(jī)等發(fā)出的聲音;四是日常生活中產(chǎn)生的噪聲，如收音機(jī)、電視機(jī)、鄰居開(kāi)Party等發(fā)出的特別大的聲音。除此之外，噪音的判斷還與人們的主觀感覺(jué)和心理因素有關(guān)，即一切不希望產(chǎn)生的聲音都是噪音。

噪聲嚴(yán)重影響著人們的生活、工作和學(xué)習(xí)，所以人們迫切地希望有一款產(chǎn)品可以使噪聲在自己的生活中“消失”。但是，由于噪聲無(wú)處不在也不可能消除，這就意味著隔音的必要性以及隔音設(shè)備方便攜帶的重要性，還有對(duì)隨身隱私空間的需求等，都使得人們對(duì)隔音設(shè)備的要求日益增加。傳統(tǒng)的隔音設(shè)備已經(jīng)無(wú)法滿足需求。

生活中的隔音技術(shù)分為兩種，一是針對(duì)聲音靠物體振動(dòng)和空氣傳播的特質(zhì)研發(fā)的技術(shù)，比如在墻體內(nèi)填充隔音材料（玻璃纖維隔音棉），或者在門(mén)窗空隙處貼陶瓷纖維教條，增強(qiáng)空間密閉度，或者是裝中空玻璃[2]。但此類方法工程量大，一旦建成，就固定了，不易移動(dòng)且只能隔絕建筑物外界聲音。二是讓自己聽(tīng)不見(jiàn)，通過(guò)給自己的耳朵帶上裝備，像降噪耳機(jī)、隔音耳塞。但這種方式并不能解決聲音在室內(nèi)的傳播[3]。

上述產(chǎn)品只能被動(dòng)地隔絕噪聲的傳播，而不能主動(dòng)地去消除噪音，從根源上解決噪聲問(wèn)題。這里的從根源上不是指讓物體不振動(dòng)，要知道除了去隔絕它，還可以去阻撓它。

隔音產(chǎn)品應(yīng)用的方面非常廣泛。一體現(xiàn)在家具裝修上，當(dāng)夜深人靜的時(shí)候，由于房子的隔音不好，裝修的噪音會(huì)嚴(yán)重影響睡眠。二體現(xiàn)在考試上，考上的時(shí)候是要求保持安靜的，但考場(chǎng)是臨時(shí)的，且有很多不可控的噪聲影響，如果單獨(dú)建造隔音房，成本會(huì)很高。有了便攜式隔音器就很方便且成本低。三體現(xiàn)在樂(lè)器的練習(xí)上，像由于某種原因練習(xí)一種樂(lè)器，一不小心練到很晚，影響了鄰居休息，這時(shí)候便攜式超聲波隔音器就很好用了。除了這些之外，隔音產(chǎn)品的應(yīng)用還有很多，但不一定便攜。

3? 超聲波隔音原理及理論依據(jù)

聲音的傳播是介質(zhì)的振動(dòng)，在該文中也就是空氣的振動(dòng)，空氣分子進(jìn)行疏密有間的振動(dòng)形成壓力，進(jìn)而形成聲波。因此聲波給空氣分子一個(gè)力，空氣分子就會(huì)還給它一個(gè)力，從而形成阻力，頻率越快，阻力越大[4]，就像人在奔跑過(guò)程中，跑的越快，受到的阻力越大。所以要找讓空氣分子振動(dòng)更快的聲波，讓它在聲波前進(jìn)的途中形成“結(jié)界”去阻止它前進(jìn)，從而達(dá)到隔音的效果。這就是超聲波。

生活中發(fā)出超聲波是要借助一定的儀器的，比較常見(jiàn)的是超聲波發(fā)生器。它是大功率超聲系統(tǒng)的組成部分，該文主要是日常隔音，并不需要大功率，而且它的體積也相對(duì)過(guò)大，它并不符合該文便攜的要求，所以不能直接使用超聲波發(fā)生器。

該文使用的是壓電超聲換能器。它是根據(jù)壓電效應(yīng)制作的。1880年法國(guó)的居里兄弟做石英晶體實(shí)驗(yàn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)有一些物體，如石英等天然晶體，當(dāng)它們受到外力的作用時(shí)，可以產(chǎn)生電荷。它們把這一現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)。之后，物理學(xué)家李普曼對(duì)此進(jìn)行了推測(cè)，如果向石英石等天然晶石施加外力會(huì)產(chǎn)生電荷，那反過(guò)來(lái)給它電它就會(huì)變形。它的猜想之后被居里兄弟證實(shí)了。它們?cè)谇叭说幕A(chǔ)上進(jìn)行深入研究，發(fā)現(xiàn)如果將壓力變成張力，那么電荷的極性就會(huì)和壓力狀態(tài)下的電荷極性相反。一樣的道理，如果在給天然晶石通電時(shí)，將其顛倒，即顛倒電荷極性，它的伸長(zhǎng)將會(huì)變成縮短。天然晶石在電流的作用下會(huì)產(chǎn)生形變，也就有了震動(dòng)的前提。所以如果輸入到天然晶石中的是交流電的話，天然晶石就會(huì)隨著交流電的頻率一伸一縮的振動(dòng)。因?yàn)榻涣麟娛菚?huì)隨著時(shí)間而改變方向的，也就是將天然晶石的正負(fù)極進(jìn)行了對(duì)調(diào)。有了震動(dòng)也就發(fā)出了聲音。這是產(chǎn)生超聲波的基礎(chǔ)。由于超聲波的頻率在20000Hz以上，但是聲音是由物體振動(dòng)產(chǎn)生的，所以當(dāng)交流電的頻率是超聲范圍時(shí)，產(chǎn)生的聲音就是超聲波。把利用壓電效應(yīng)產(chǎn)生超聲的裝置稱為壓電超聲換能器。

所以該文制作超聲波隔音器的主要材料有壓電超聲換能器，也可以用磁致伸縮換能器（磁致伸縮換能器的原理是磁致伸縮效應(yīng)，壓電效應(yīng)是因?yàn)橥饨鐗毫ψ饔糜谔烊痪胖律炜s效應(yīng)是因?yàn)橐恍┙饘俸痛判圆牧显诖艌?chǎng)的影響下也會(huì)產(chǎn)生和壓電效應(yīng)一樣的效果。而且高頻電流也是一種電磁波，具有磁場(chǎng)。所以可以用磁致伸縮換能器替換壓電超聲換能器）。

4? 高頻電流對(duì)人體的影響

使用的交流電頻率一般是50Hz，電壓是220V，但該文使用的交流電要達(dá)到20000Hz以上。那20000Hz以上的交流電是不是安全的，是否會(huì)傷害人體，這是需要考慮的問(wèn)題。

高頻電流是相對(duì)于工頻50Hz交流電而言的電流。將50Hz的交流電轉(zhuǎn)為高頻電流需要變頻器。根據(jù)國(guó)際電工協(xié)會(huì)IEC581標(biāo)準(zhǔn)，和我國(guó)的GB/T 14277-93國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，5～16kHz就是高頻段。高頻電流的特點(diǎn)有以下3點(diǎn)。

（1）對(duì)神經(jīng)肌肉無(wú)興奮作用。

電流對(duì)人體而言并不是頻率越高對(duì)人體傷害越大，反而高頻率的電流對(duì)人體的神經(jīng)肌肉無(wú)興奮作用。當(dāng)頻率大于20kHz時(shí)，正弦交流電每個(gè)周期的時(shí)間小于0.01ms，在這樣短的時(shí)間內(nèi)無(wú)法使神經(jīng)和肌肉興奮，而當(dāng)頻率大于500kHz時(shí)，電流已完全無(wú)神經(jīng)興奮作用。

（2）無(wú)電解作用。

在高頻電場(chǎng)中，由于電場(chǎng)方向變換迅速，處于電場(chǎng)中的電解質(zhì)離子不能定向移動(dòng)，只能在原位振動(dòng)。這樣的話就能在一個(gè)平面上形成一個(gè)保護(hù)膜。

綜上所述，高頻電流是不會(huì)對(duì)人體造成危害的，可以放心使用。根據(jù)焦耳定律，高頻率電流會(huì)產(chǎn)生一定的熱量，但是換頻器中自帶有風(fēng)扇，可以自行散熱。所以并不需要再另行考慮。

5? 便攜式超聲波隔音器設(shè)計(jì)

將產(chǎn)品便攜化從而來(lái)達(dá)到降低成本已經(jīng)成為制造公司追求的目標(biāo)。隨著轉(zhuǎn)化周期的縮短，人們對(duì)特定物體的需求與實(shí)現(xiàn)這個(gè)物體之間的時(shí)間大大縮短，能夠使功能瞬間完成[5]。產(chǎn)品便攜式是大勢(shì)所趨。

而一般的隔音器都不能滿足隨時(shí)隨地人們想不聽(tīng)就不聽(tīng)的需求，隨時(shí)隨地給其一個(gè)清凈的環(huán)境進(jìn)行思考。所以一款便攜式的隔音器就變得很重要，以滿足大眾越來(lái)越個(gè)性化的要求。

便攜式超聲波隔音器包括外殼和殼內(nèi)的電路板，電路板上設(shè)有鋰電池，外殼殼體上設(shè)置有電源開(kāi)關(guān)，與變頻器上的開(kāi)關(guān)相連接，控制變頻器的開(kāi)關(guān)。其獨(dú)特的點(diǎn)表現(xiàn)在：它的電路上裝有磁致伸縮換能器、換頻器和鋰電池。其中的鋰電池提供正常電壓，經(jīng)變頻器對(duì)正常交流電進(jìn)行變頻為20000Hz以上的高頻電，然后經(jīng)磁致伸縮換能器將高頻電流轉(zhuǎn)化成超聲波，使便攜式超聲波隔音器粘著的物體表面形成超聲波保護(hù)膜。

便攜式超聲波隔音器的優(yōu)點(diǎn)就在于：根據(jù)聲波傳播過(guò)程中會(huì)受到一定的阻力，通過(guò)超聲波根據(jù)的頻率更加密集，在物體表面形成保護(hù)膜，使得聲波受到阻礙無(wú)法前進(jìn)，達(dá)到隔音的目的。

說(shuō)完殼內(nèi)的結(jié)構(gòu)，再來(lái)說(shuō)說(shuō)外殼設(shè)計(jì)。便攜式電子產(chǎn)品的外殼設(shè)計(jì)對(duì)于產(chǎn)品非常重要。首先外殼給關(guān)鍵部位提供了有力支撐。內(nèi)部部件都必須安裝在一個(gè)穩(wěn)定的外殼上，外殼必須保證在受到一定外界沖擊時(shí)可以起到保護(hù)內(nèi)部零件的作用，這是由于便攜式電子產(chǎn)品經(jīng)常會(huì)掉落，外殼是電子產(chǎn)品內(nèi)部元件唯一的保護(hù)殼。

便攜式超聲波隔音器采用丙烯晴-丁二烯-丙乙烯（ABS）塑料進(jìn)行外殼的制作，輔助以內(nèi)部肋材構(gòu)架，將關(guān)鍵部位，就是主要受震部位進(jìn)行一個(gè)彎曲處理，以加強(qiáng)減震功能。其實(shí)最好是使用鎂金屬制作外殼，它的散熱、結(jié)構(gòu)和其他金屬外殼是一樣的，不同的是顧客更喜歡拿著它的感覺(jué)，但是鎂金屬外殼的制造成本很高。雖然丙烯晴-丁二烯-丙乙烯（ABS）塑料沒(méi)有金屬材料顯的高端，更沒(méi)有鎂金屬材料拿著舒服，但是將其進(jìn)行金屬涂料覆蓋、使用橡膠在塑料的周?chē)M(jìn)行處理也是不錯(cuò)的，可以獲得金屬般的外觀、舒服的手感，并且比金屬材料輕便。

6? 結(jié)語(yǔ)

該文通過(guò)對(duì)聲波的發(fā)聲原理、傳播原理、聲波所受阻力、超聲波的發(fā)聲原理、傳播原理、高頻電流等的學(xué)習(xí)和研究，以壓電效應(yīng)、磁致伸縮效應(yīng)為理論依據(jù)，設(shè)計(jì)了一種隔音器——便攜式超聲波隔音器。這是超聲波在隔音領(lǐng)域的應(yīng)用，以前超聲波也被應(yīng)用于其他領(lǐng)域，像工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、醫(yī)療衛(wèi)生、科學(xué)研究以及國(guó)防建設(shè)等各方面，因?yàn)樗泻軓?qiáng)的應(yīng)用性，但目前為止還沒(méi)有發(fā)現(xiàn)超聲波在隔音領(lǐng)域的應(yīng)用，所以便攜式超聲波隔音器的實(shí)用性還是有待進(jìn)一步檢驗(yàn)的。

此外在外殼材料上采用的是對(duì)丙烯晴-丁二烯-丙乙烯（ABS）塑料用金屬涂料覆蓋，用橡膠對(duì)外殼邊角進(jìn)行包裹，降低成本，達(dá)到便攜的目的。

參考文獻(xiàn)

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[3] 佚名.淺談房間的隔音技術(shù)[N].電子報(bào)，2015-10-11（015）.

[4] 王忠友，林書(shū)英.人耳聽(tīng)不見(jiàn)的聲音——超聲波[J].中學(xué)物流教學(xué)參考，2002（1）：1-2.

[5] 伯特·哈斯克爾，著.便攜式電子產(chǎn)品[M].張寶玲，董啟雄，樊桂花，譯.北京：科學(xué)出版社，2005.

①基金項(xiàng)目：西京學(xué)院“大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃”項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：127152018151）。

作者簡(jiǎn)介：孫筱韻（1998，4—），女，漢族，江蘇泰州人，本科在讀，研究方向：物流管理。

通訊作者：盛小麗（1987—），女，陜西周至人，碩士研究生，講師，研究方向：物流管理，E-mail：349744118@qq.com。