С усилением тенденции глобализации проблемы шумоподавления становятся всё более актуальными. Мир становится громче, отчего встаёт вопрос — как же повлиять на этот процесс? О том, какую систему для подавления шума недавно придумали учёные и каких успехов им удалось добиться в ходе эксперимента, рассказывает Денис Зольников, наставник IT-квантума детского технопарка «Кванториум»
— На данный момент для шумоподавления в городской среде в основном используются шумоподавляющие экраны. Но не так давно учёные из Великобритании, Сингапура и Японии под руководством Вхань Лам (Bhan Lam) из Наньянского технологического университета соорудили систему активного шумоподавления, которая нацелена на заглушение внешних звуков в помещении даже с открытым окном. Чтобы лучше разобраться в работе этой системы, надо сначала чётко понять, что собой представляет звук.
С точки зрения физики звук — это волна механических колебаний в определённой среде. Источник шума вызывает смещение ближайших частиц среды, а те, в свою очередь, передают его соседним частицам — возмущение распространяется по принципу домино и, достигнув уха, заставляет человека слышать звук. Громкость звука при этом определяется величиной смещения частиц — то есть амплитудой волны: чем сильнее будут колебания, тем громче они прозвучат.
Таким образом, для подавления звука необходимо уменьшить амплитуду колебаний. Этого можно добиться двумя способами:
- Пассивное шумоподавление — установить на пути звука плохо проницаемую преграду, которая будет задерживать частицы, мешая передавать своё смещение другим частицам;
- Активное шумоподавление — послать на встречу волны (в противофазе) другую волну той же амплитуды, которая полностью «поглотит» её колебания.
Но в случае активного шумоподавления возникает множество проблем, ключевая из которых — определение правильных параметров волны, чтобы она идеально «загасила» встречную волну и не породила шум сама.
Чтобы протестировать работу системы, исследователи использовали макетную комнату кубической формы, грани которой представляли собой квадратные фанерные доски толщиной около 30 миллиметров и длиной стороны 2,1 метра. В одной из стен этой конструкции авторы установили двухпанельное раздвижное окно размером 1×1 метр с прикреплённой к нему решеткой (наличие таковой характерно для бытовых окон в Юго-Восточной Азии).
На оконной решётке на расстоянии в 12,5 сантиметров друг от друга авторы закрепляли систему из 24 шумоподавляющих динамиков, каждый из которых мог генерировать свою звуковую волну отдельно от остальных.
Внешние шумы разного вида создавались при помощи крупного динамика на расстоянии двух метров от окна, а посередине между ними располагался опорный микрофон, который улавливал непогашенные звуковые колебания и передавал информацию о них в контролирующую систему.
На тренировочном этапе испытаний физики также использовали дополнительную систему из 24 микрофонов в 18 сантиметрах от окна внутри комнаты — используемый алгоритм настраивал работу шумоподавляющих динамиков так, чтобы эта система улавливала минимальное звуковое давление.
В ходе основных измерений этот адаптивный механизм уже не использовался, и параметры генерации подавляющего звука на основе сигнала опорного микрофона фиксировались (на основе данных тренировочного этапа).
Схема эксперимента: источник шума, макетная комната и окно с установленной на нем акустической системой. Размеры и расстояния указаны в метрах
Схема расположения измерительных микрофонов в макетной комнате — слева изображена вертикальная плоскость, справа горизонтальная
Внутри комнаты на расстоянии не менее полуметра от каждой из границ были расположены 18 измерительных микрофонов — данные 12-и из них (расположенных на уровне окна в полуметре от него) авторы усредняли для оценки среднего шумоподавления в вертикальной плоскости, а по другой группе из 7 микрофонов — судили об энергетически среднем уровне ослабления звука.
Внешний динамик в ходе экспериментов издавал белый шум, а также звуки автомобильного шоссе, движущегося поезда и летящего самолёта продолжительностью 6-19 секунд. При этом для одного и того же типа внешнего шума проводилось три типа измерений: один при участии активного шумоподавления с открытым окном, и два — без активного шумоподавления, с открытым и закрытым окном, после чего эти данные сопоставлялись между собой.
По результатам исследований стало понятно, что система прекрасно справляется с городскими шумами, равномерно заглушая их. Единственной проблемой на данный момент являются звуки самолётов и другие низкочастотные шумы.
Данное открытие, несмотря на свою кажущуюся незначительность, показывает, что современная наука всё чаще перешагивает грань фундаментальных законов для обеспечения комфортной жизни людей и позволяет использовать плоды исследований даже для незначительных вещей, как подавление шумов во дворе или на ближайшей дороге.
