Система активного шумоподавления ослабила звуки из открытого окна

Ученые изготовили систему активного шумоподавления и протестировали ее в макетной комнате с полноразмерным бытовым окном. Оказалось, что в типичном для городского транспорта диапазоне частот с ее помощью удается заглушать до 10 децибел от среднего уровня звукового давления в помещении при открытом окне. Дальнейшие разработки подобных систем, вероятно, позволят совмещать естественную вентиляцию и шумоподавление в условиях города. Исследование опубликовано в журнале Nature.

С точки зрения физики звук представляет собой волну механических колебаний в какой-либо среде — например, в воздухе. Источник шума вызывает смещение ближайших частиц среды, а те, в свою очередь, передают его соседним частицам — возмущение распространяется и, достигнув уха, заставляет нас слышать звук. Громкость звука при этом определяется величиной смещения частиц — то есть амплитудой волны: чем сильнее будут колебания, тем громче они прозвучат.

Таким образом, чтобы подавить звук, необходимо уменьшить амплитуду колебаний — для этого обычно применяют два основных подхода: пассивное и активное шумоподавление. При пассивном шумоподавлении на пути распространения волны ставится некая преграда — объект, который так или иначе препятствует распространению звука и тем самым снижает уровень шума. В случае же активного шумоподавления ситуация совсем иная — такой метод предполагает создание второй звуковой волны в противофазе — то есть так, чтобы при наложении друг на друга колебания гасили друг друга. Чтобы полностью заглушить шум, нужно в точности скопировать гасимое возмущение, однако на практике добиться этого довольно сложно — нужно успевать записывать подавляемый звук или отслеживать уже уменьшенный шум и подбирать параметры генерируемой волны так, чтобы его минимизировать.

Ученые 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 с открытым окном. Чтобы протестировать ее работу, исследователи использовали макетную комнату кубической формы, грани которой представляли собой квадратные фанерные доски с 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 прикрепленной к нему решеткой (наличие таковой характерно для бытовых окон в Юго-Восточной Азии).

На оконной решетке 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 расположения измерительных микрофонов в макетной комнате — слева изображена вертикальная плоскость, справа горизонтальная

Bhan Lam et al. / Nature, 2020

Поделиться

Внутри комнаты на расстоянии не менее полуметра от каждой из границ были расположены 18 измерительных микрофонов — данные двенадцати из них (расположенных на уровне окна в полуметре от него) авторы усредняли для оценки среднего шумоподавления в вертикальной плоскости, а по другой группе из семи 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 самолета 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.

Сравнение усредненного по энергии спектра уровня громкости в помещении с шумоподавлением при открытом окне и без шумоподавления при закрытом и открытом окне для четырех типов внешнего звука

Bhan Lam et al. / Nature, 2020

Поделиться

По результатам измерений авторы установили, что исследуемая система плохо справляется с низкочастотными шумами (которые, в частности, характерны для звука самолетов), однако в частотном диапазоне 500–1000 Герц, что характерно для городского транспорта, позволяет в среднем заглушать до 10 децибел от уровня звукового давления при открытом окне. При этом усредненные по двум группам микрофонов данные по ослаблению шума соотносятся в пределах одного децибела — это свидетельствует о достаточно равномерном заглушении звука во всем помещении. Закрытое окно без активного шумоподавления дает результаты в среднем на 2–6 децибел лучше, однако ученые отмечают, что при открытом окне одновременно с заглушением шума происходит еще и естественная вентиляция помещения — в реальных условиях это дополнительное преимущество может скомпенсировать разницу в показателях.

Кроме того, выявленная неэффективность системы в борьбе с низкочастотными шумами побуждает к тому, чтобы в дальнейшем оптимизировать активное шумоподавление с учетом особенностей подавляемого звука. Исследователи полагают, что наиболее практичное решение — позаимствовать принцип действия шумоподавляющих наушников, и в зависимости от внешнего сигнала переключать систему между несколькими режимами работы.

Ранее мы рассказывали о том, как теоретики разработали шумоподавляющую сеть из осцилляторов с произвольными параметрами, а нейробиологи обнаружили функцию встроенного шумоподавления в мозге мышей.

Николай Мартыненко

https://nplus1.ru/