便携式超声波隔音器

孙筱韵 盛小丽 周雪杰 李慕翎

摘  要：声音的传播是介质的振动，在该文中也就是空气的振动，空气的振动形成压力，进而形成声波。而声波的传播也是会有阻力的，就像人在奔跑过程中，跑的越快，受到的阻力越大。所以要找到让空气分子振动更快的声波，让它在声波前进的途中形成“结界”去阻止它前进，从而达到隔音的效果。该文中通过磁致伸缩换能器、变频器来完成这一过程。

关键词：便携  超声波  压电效应  磁致伸缩效应  隔音器

中图分类号：O426.9                                文献标识码：A                          文章编号：1672-3791（2019）04（b）-0061-02

1  声音的产生与传播

声音是由物体的振动产生的声波，通过介质（固、液、气）传播，被人或动物的听觉器官所感知的波动现象。

声音是一种压力波，当你拍打桌面、放手机、拍手时都会产生振动，这些振动会引起介质——空气分子有节奏地运动，从而使周围的的空气产生疏密变化，形成疏密相间的纵波，这就是声波。能被人耳所听到的声音频率在20～20000Hz，频率低于20Hz的是次声波，高于20000Hz的是超声波[1]。由上述理论可以知道空气是声音传播的重要介质。

2  噪声及隔音需求

声音由于传播介质的不同，分为空气声、水声、固体声等。噪声检测主要指空气声。噪声的来源有4种：一是交通工具产生的噪声，包括汽车、火车和飞机等所产生的噪声;二是工厂机器在工作时产生的噪声，如鼓风机、织布机和冲床等所产生的噪声;三是建筑工地在不合理时间内施工产生的施工噪声，像挖土机和混凝土搅拌机等发出的声音;四是日常生活中产生的噪声，如收音机、电视机、邻居开Party等发出的特别大的声音。除此之外，噪音的判断还与人们的主观感觉和心理因素有关，即一切不希望产生的声音都是噪音。

噪声严重影响着人们的生活、工作和学习，所以人们迫切地希望有一款产品可以使噪声在自己的生活中“消失”。但是，由于噪声无处不在也不可能消除，这就意味着隔音的必要性以及隔音设备方便携带的重要性，还有对随身隐私空间的需求等，都使得人们对隔音设备的要求日益增加。传统的隔音设备已经无法满足需求。

生活中的隔音技术分为两种，一是针对声音靠物体振动和空气传播的特质研发的技术，比如在墙体内填充隔音材料（玻璃纤维隔音棉），或者在门窗空隙处贴陶瓷纤维教条，增强空间密闭度，或者是装中空玻璃[2]。但此类方法工程量大，一旦建成，就固定了，不易移动且只能隔绝建筑物外界声音。二是让自己听不见，通过给自己的耳朵带上装备，像降噪耳机、隔音耳塞。但这种方式并不能解决声音在室内的传播[3]。

上述产品只能被动地隔绝噪声的传播，而不能主动地去消除噪音，从根源上解决噪声问题。这里的从根源上不是指让物体不振动，要知道除了去隔绝它，还可以去阻挠它。

隔音产品应用的方面非常广泛。一体现在家具装修上，当夜深人静的时候，由于房子的隔音不好，装修的噪音会严重影响睡眠。二体现在考试上，考上的时候是要求保持安静的，但考场是临时的，且有很多不可控的噪声影响，如果单独建造隔音房，成本会很高。有了便携式隔音器就很方便且成本低。三体现在乐器的练习上，像由于某种原因练习一种乐器，一不小心练到很晚，影响了邻居休息，这时候便携式超声波隔音器就很好用了。除了这些之外，隔音产品的应用还有很多，但不一定便携。

3  超声波隔音原理及理论依据

声音的传播是介质的振动，在该文中也就是空气的振动，空气分子进行疏密有间的振动形成压力，进而形成声波。因此声波给空气分子一个力，空气分子就会还给它一个力，从而形成阻力，频率越快，阻力越大[4]，就像人在奔跑过程中，跑的越快，受到的阻力越大。所以要找让空气分子振动更快的声波，让它在声波前进的途中形成“结界”去阻止它前进，从而达到隔音的效果。这就是超声波。

生活中发出超声波是要借助一定的仪器的，比较常见的是超声波发生器。它是大功率超声系统的组成部分，该文主要是日常隔音，并不需要大功率，而且它的体积也相对过大，它并不符合该文便携的要求，所以不能直接使用超声波发生器。

该文使用的是压电超声换能器。它是根据压电效应制作的。1880年法国的居里兄弟做石英晶体实验时，发现有一些物体，如石英等天然晶体，当它们受到外力的作用时，可以产生电荷。它们把这一现象称为压电效应。之后，物理学家李普曼对此进行了推測，如果向石英石等天然晶石施加外力会产生电荷，那反过来给它电它就会变形。它的猜想之后被居里兄弟证实了。它们在前人的基础上进行深入研究，发现如果将压力变成张力，那么电荷的极性就会和压力状态下的电荷极性相反。一样的道理，如果在给天然晶石通电时，将其颠倒，即颠倒电荷极性，它的伸长将会变成缩短。天然晶石在电流的作用下会产生形变，也就有了震动的前提。所以如果输入到天然晶石中的是交流电的话，天然晶石就会随着交流电的频率一伸一缩的振动。因为交流电是会随着时间而改变方向的，也就是将天然晶石的正负极进行了对调。有了震动也就发出了声音。这是产生超声波的基础。由于超声波的频率在20000Hz以上，但是声音是由物体振动产生的，所以当交流电的频率是超声范围时，产生的声音就是超声波。把利用压电效应产生超声的装置称为压电超声换能器。

所以该文制作超声波隔音器的主要材料有压电超声换能器，也可以用磁致伸缩换能器（磁致伸缩换能器的原理是磁致伸缩效应，压电效应是因为外界压力作用于天然晶石，磁致伸缩效应是因为一些金属和磁性材料在磁场的影响下也会产生和压电效应一样的效果。而且高频电流也是一种电磁波，具有磁场。所以可以用磁致伸缩换能器替换压电超声换能器）。

4  高频电流对人体的影响

使用的交流电频率一般是50Hz，电压是220V，但该文使用的交流电要达到20000Hz以上。那20000Hz以上的交流电是不是安全的，是否会伤害人体，这是需要考虑的问题。

高频电流是相对于工频50Hz交流电而言的电流。将50Hz的交流电转为高频电流需要变频器。根据国际电工协会IEC581标准，和我国的GB/T 14277-93国家标准，5～16kHz就是高频段。高频电流的特点有以下3点。

（1）对神经肌肉无兴奋作用。

电流对人体而言并不是频率越高对人体伤害越大，反而高频率的电流对人体的神经肌肉无兴奋作用。当频率大于20kHz时，正弦交流电每个周期的时间小于0.01ms，在这样短的时间内无法使神经和肌肉兴奋，而当频率大于500kHz时，电流已完全无神经兴奋作用。

（2）无电解作用。

在高频电场中，由于电场方向变换迅速，处于电场中的电解质离子不能定向移动，只能在原位振动。这样的话就能在一个平面上形成一个保护膜。

综上所述，高频电流是不会对人体造成危害的，可以放心使用。根据焦耳定律，高频率电流会产生一定的热量，但是换频器中自带有风扇，可以自行散热。所以并不需要再另行考虑。

5  便携式超声波隔音器设计

将产品便携化从而来达到降低成本已经成为制造公司追求的目标。随着转化周期的缩短，人们对特定物体的需求与实现这个物体之间的时间大大缩短，能够使功能瞬间完成[5]。产品便携式是大势所趋。

而一般的隔音器都不能满足随时随地人们想不听就不听的需求，随时随地给其一个清净的环境进行思考。所以一款便携式的隔音器就变得很重要，以满足大众越来越个性化的要求。

便携式超声波隔音器包括外壳和壳内的电路板，电路板上设有锂电池，外壳壳体上设置有电源开关，与变频器上的开关相连接，控制变频器的开关。其独特的点表现在：它的电路上装有磁致伸缩换能器、换频器和锂电池。其中的锂电池提供正常电压，经变频器对正常交流电进行变频为20000Hz以上的高频电，然后经磁致伸缩换能器将高频电流转化成超声波，使便携式超声波隔音器粘着的物体表面形成超声波保护膜。

便携式超声波隔音器的优点就在于：根据声波传播過程中会受到一定的阻力，通过超声波根据的频率更加密集，在物体表面形成保护膜，使得声波受到阻碍无法前进，达到隔音的目的。

说完壳内的结构，再来说说外壳设计。便携式电子产品的外壳设计对于产品非常重要。首先外壳给关键部位提供了有力支撑。内部部件都必须安装在一个稳定的外壳上，外壳必须保证在受到一定外界冲击时可以起到保护内部零件的作用，这是由于便携式电子产品经常会掉落，外壳是电子产品内部元件唯一的保护壳。

便携式超声波隔音器采用丙烯晴-丁二烯-丙乙烯（ABS）塑料进行外壳的制作，辅助以内部肋材构架，将关键部位，就是主要受震部位进行一个弯曲处理，以加强减震功能。其实最好是使用镁金属制作外壳，它的散热、结构和其他金属外壳是一样的，不同的是顾客更喜欢拿着它的感觉，但是镁金属外壳的制造成本很高。虽然丙烯晴-丁二烯-丙乙烯（ABS）塑料没有金属材料显的高端，更没有镁金属材料拿着舒服，但是将其进行金属涂料覆盖、使用橡胶在塑料的周围进行处理也是不错的，可以获得金属般的外观、舒服的手感，并且比金属材料轻便。

6  结语

该文通过对声波的发声原理、传播原理、声波所受阻力、超声波的发声原理、传播原理、高频电流等的学习和研究，以压电效应、磁致伸缩效应为理论依据，设计了一种隔音器——便携式超声波隔音器。这是超声波在隔音领域的应用，以前超声波也被应用于其他领域，像工农业生产、医疗卫生、科学研究以及国防建设等各方面，因为它有很强的应用性，但目前为止还没有发现超声波在隔音领域的应用，所以便携式超声波隔音器的实用性还是有待进一步检验的。

此外在外壳材料上采用的是对丙烯晴-丁二烯-丙乙烯（ABS）塑料用金属涂料覆盖，用橡胶对外壳边角进行包裹，降低成本，达到便携的目的。

参考文献

[1] 孟君，翟留名，甄杰，等.简易隔音原理与模型的研究[J].世界科技研究与发展，2008（4）：472-475.

[2] 李立法，肇慧玲，孙小涵，等.对影响住宅隔音效果原因探究与防治[J].黑龙江科技信息，2016（17）：241.

[3] 佚名.浅谈房间的隔音技术[N].电子报，2015-10-11（015）.

[4] 王忠友，林书英.人耳听不见的声音——超声波[J].中学物流教学参考，2002（1）：1-2.

[5] 伯特·哈斯克尔，著.便携式电子产品[M].张宝玲，董启雄，樊桂花，译.北京：科学出版社，2005.

①基金项目：西京学院“大学生创新创业训练计划”项目（项目编号：127152018151）。

作者简介：孙筱韵（1998，4—），女，汉族，江苏泰州人，本科在读，研究方向：物流管理。

通讯作者：盛小丽（1987—），女，陕西周至人，硕士研究生，讲师，研究方向：物流管理，E-mail：349744118@qq.com。