徐鑫茹，王一龙，刘仁实，姜雪松

（东北林业大学工程技术学院，黑龙江 哈尔滨 150040）

随着人们工作和生活压力不断增大，睡眠质量不断下降，睡眠障碍严重影响了人们的日常生活[1]。在目前眼罩耳塞使用过程中，存在佩戴耳塞听不到闹钟铃声和闹钟铃声过大影响同一室内休息者的问题，因此迫切需要一种新型的眼罩耳塞结构设计，达到既能屏蔽外界的光与噪音又能够唤醒使用者的目的。杜浩明等[2]发明了一种带闹钟的“蓝牙耳机”，将隔音耳塞与手机或者闹钟通过蓝牙进行连接，从而起到能够唤醒使用者的效果，这样设计大大增加了耳塞的成本，同时也浪费手机电量，对于一些住校没有手机的中学学生更是不适用。邹志军等[3]在耳塞内部加入芯片、震动器来唤醒使用者，严重影响了耳塞的舒适性，且耳塞内空间不足增加了制作的难度。目前，将TRIZ理论应用于定时唤醒眼罩设计的文献较少，本文针对这一领域进行研究，并对其中存在的矛盾进行分析，得到符合TRIZ发明原理的定时唤醒眼罩的创新设计。

1 TRIZ理论概述

TRIZ理论即发明问题解决理论，是前苏联发明家根里奇·阿奇舒勒于1946年带领一批学者在研究了世界各国200万份高水平专利的基础上，提出的一套发明问题解决理论和方法[3]。TRIZ理论是指导人们利用科学的思想来解决发明过程中遇到的一些矛盾，包括物理矛盾和技术矛盾。它的目标是完全解决矛盾，获得最终的理想解。应用TRIZ理论可大大加快人们创造发明的进程，并获得高质量的新产品。但是TRIZ理论自身不能够有效地寻找矛盾所在处[4]。

TRIZ理论解决问题的一般过程包括5个步骤：分析问题、找准冲突、原理解决、对比评价、具体实施。具体解题步骤见图1。

图1 TRIZ具体解题步骤流程图

2 基于TRIZ理论的矛盾分析

2.1 问题描述

日常生活中，人们的休息质量会因声音或光线干扰而受到影响，尤其在类似学校寝室这种多人共同居住的狭小环境下，大多数人会佩戴眼罩和耳塞来辅助睡眠。耳塞和眼罩可以隔绝外界的声音和光线，但同时也会引起因佩戴耳塞错过闹钟铃声和因佩戴眼罩而错过起床时间的问题。同时，由于耳塞的体积较小，也存在容易丢失的问题。

2.2 矛盾分析

矛盾分析是TRIZ理论中的常用工具，主要分为物理矛盾和技术矛盾[5]。技术矛盾是指为了改善技术系统中的某个参数，导致该技术系统中另一个参数恶化，是两个参数之间的矛盾；物理矛盾是指对系统的同一参数有不同的要求。

根据上述问题，可将眼罩与耳塞看作一个系统，我们通过眼罩-耳塞系统对眼罩与耳塞的矛盾进行分析，利用TRIZ理论的4条分离原理和40条发明原理求得上述问题的理想解。

2.2.1 物理矛盾

本系统的物理矛盾可定义为：在夜晚，人们需要耳塞隔绝外界声音以避免噪声对睡眠的影响；在清晨，人们又需要耳塞不太隔音从而能够听到所设置的闹钟铃声，即人们希望耳塞既完全隔音又不完全隔音。

在现代的TRIZ理论中，解决物理矛盾的分离方法有分离矛盾需求、满足矛盾需求、绕过矛盾需求。其中分离矛盾需求又包含空间分离、时间分离、关系分离、方向分离与系统级别分离[6]。

对于上述的物理矛盾，空间分离是不适合的，因为有冲突的参数要求的位置是相同的。时间分离是适合的，因为有冲突的参数要求的时间是不相同的。可以采用N10预先作用原理来实现时间分离，即预先将物体安放妥当，使它们能在现场最方便的地点立即发挥所需要的作用。

2.2.2 技术矛盾

利用TRIZ理论中的39个技术参数来描述技术矛盾，技术矛盾可定义为：欲改善的参数N38自动化程度（眼罩-耳塞系统能够在规定时间唤醒使用者）与欲恶化的参数N36系统的复杂性（眼罩-耳塞系统的元件数目多样性会增加其复杂性）的冲突；欲改善的参数N35适用性及通用性（改善后可增加其通用性与适用性）与欲恶化的参数N26物质或事物的数量（元件数目增多）的冲突；欲改善的参数N12形状（改变眼罩-耳塞系统的结构）与欲恶化的参数N32可制造性（增加了制造难度）的冲突。

确定技术矛盾后，由39个工程参数与40条发明原理建立对应关系而组成的39行39列的矛盾矩阵，通过矛盾矩阵查找相应的交点解决方案确定创新原理[7]。具体见表1。

表1 局部矛盾矩阵

根据表1所示的矛盾矩阵可以查出可用的发明原理，见表2。

表2 可用的发明原理

3 定时唤醒眼罩的结构设计

3.1 基于矛盾矩阵的设计方案

根据定时唤醒眼罩的设计需要，本文筛选出N24借助中介物原理、N10预先作用原理、N17向另一维度过渡原理、N3局部性质原理、N32改变颜色原理，对现有的眼罩、耳塞的结构进行改进，从而解决上述矛盾[8]。

3.1.1 向另一维度过渡原理

向另一维度过渡原理即可以利用多层结构代替单层结构，运用该原理将眼罩内部设计为3层结构，在眼罩最外层与第二层的夹层间固定计时器，使用者可使用计时器进行设置时间的操作。

3.1.2改变颜色原理

改变颜色原理即可以改变物体的颜色和透明度，运用该原理将眼罩最外层用以显示计时器的显示屏与按钮的部位设计为透明，便于使用和操作。眼罩最内层采用绒面布料，增加佩戴的舒适度。

3.1.3 预先作用原理

预先作用原理即预先将物体安放妥当，使它们能在现场最方便地点立即发挥所需要的作用。为了达到在规定时刻唤醒使用者的目的，利用该原理，在眼罩内部设置计时器，使用者可自行设置时间，耳塞尾部连接一个金属腔体，蜂鸣器安置于金属腔体中，规定时间到达时，蜂鸣器响起。

3.1.4 借助中介物原理

借助中介物原理即利用可以迁移或有传送作用的中间物体，由于耳塞的隔音性能，耳塞尾部安置的蜂鸣器的声音很难传递至人耳，可借助中介物质实现，例如在耳塞体内设两个软细导管，利用软细导管将蜂鸣器声音传递至人耳中。

3.1.5 局部性质原理

局部性质原理即物体的不同部分应当具有不同的功能，眼罩及内部计时器起到屏蔽外界光线以及设置时间的作用，耳塞及软细导管起到屏蔽外界声音以及传递金属腔体内蜂鸣器声音的作用。

3.2 定时唤醒眼罩总体结构设计

利用上述原理进行创新设计，本文设计的定时唤醒眼罩主要由眼罩和静音耳机构成。眼罩和静音耳机之间通过连接带连接。连接带一端与眼罩内的计时器电性连接，另一端与隔音耳机内部的蜂鸣器电性连接，两个隔音耳机分别位于连接带1/4的位置。定时唤醒眼罩总体结构见图2。

图2 定时唤醒眼罩总体结构示意图

3.2.1 眼罩结构设计

眼罩内部设计为3层结构，在眼罩最外层与第二层的夹层间固定一个计时器，计时器包含显示屏与按钮，计时器与连接带电性连接。眼罩左部设有USB插口，眼罩内表面由绒面布料制成。眼罩的结构示意图见图3。

图3 眼罩结构示意图

3.2.2 静音耳机结构设计

隔音耳机包括连接带、耳塞、软细导管、金属腔体、隔音棉和蜂鸣器，连接带一端与计时器电性连接，连接带另一端与蜂鸣器电性连接。耳塞材料为高密度温感活性记忆棉，耳塞体内设有两个软细导管用于传递蜂鸣器声音，软细导管两端开口处呈矩形，易于声音传播至使用者耳中；耳塞尾部连有金属腔体，蜂鸣器、隔音棉位于金属腔体内部，蜂鸣器嵌入隔音棉中，从而减少蜂鸣器声音对外界的干扰。隔音耳机结构示意图见图4。

图4 隔音耳机结构示意图

使用者可通过眼罩设置时间，当预设的闹钟时间到达时，隔音耳机内的蜂鸣器响起，因金属腔体和隔音棉的隔音作用，蜂鸣器的声音不会传递至外界，蜂鸣器声音通过耳塞内的软细导管传递至人耳中，从而唤醒使用者。

4 结束语

目前市面上的耳塞在使用过程中存在易丢失、佩戴时易错过闹钟铃声等问题。本文利用TRIZ理论分析了眼罩和耳塞在使用过程中存在的物理矛盾和技术矛盾，利用TRIZ理论的4条分离原理和矛盾矩阵找到相应的发明原理，并结合实际情况选择适当的发明原理，找到解决问题的新方案，设计出满足要求的新结构。

本文阐述的定时唤醒眼罩是眼罩耳塞一体化设计，可避免耳塞丢失的问题，将传统的耳塞改造为静音耳机，既可以屏蔽外界声音又可以在规定时刻唤醒使用者，结构简单、设计巧妙，适于推广使用，具有很大的市场前景。