Звук в нашей жизни играет большую роль, однако, «не все звуки одинаково полезны»:-), некоторые из них носят отрицательный характер, и учёные работают над тем, чтобы преуменьшить их влияние. Среди подобных звуков можно назвать шум разного рода, который, как усложняет восприятие целевой информации, например, в наушниках или открытых помещениях, так и вносит свою лепту в процесс звукового загрязнения окружающей среды. И в связи с этим, мы попробуем подумать, а насколько реально создать своё шумоподавляющее устройство, но не для наушников?
Шум, это по своей сути, та же звуковая волна, которая по своей природе представляет собой колебания элементарных частиц её, чередующихся в виде зон сжатия и разряжения.
Если попробовать представить физику этого процесса в виде графика, то он будет выглядеть примерно следующим образом:
Достаточно давно, ещё в 1934 году американец Пол Люг получил патент на систему, которая по его заявлениям, была предназначена для того, чтобы с помощью инвертирования фазы сигнала (с помощью добавления противофазы к исходному сигналу), погасить ненужный звуковой фон вокруг громкоговорителя.
При этом амплитуда должна сохраняться (то есть, если по-простому, величины максимального смещения всех точек на кривой волны), только волна должна быть зеркально отображена относительно временной шкалы (сразу скажем, что это идеальный случай, и в жизни не встречается):
В дальнейшем эта идея только развивалась и получила широкое распространение в разнообразных системах глушения звука, в частности, во встроенных в наушники разного типа, а также использующихся в технике (например, в салонах автомобилей).
Несмотря на достаточно давнюю историю вопроса, проблема эффективного шумоподавления до сих пор не решена в полной мере. Причиной подобного является достаточно сложная физическая картина, с которой приходится иметь дело, в процессе решения этой проблемы:
- многократное переотражение звука от разных поверхностей;
- прохождение звука через разные среды, с разной скоростью;
- диссоциация звука, при прохождении его через разные среды, в процессе чего разные частоты проходят через среду с разной скоростью;
- невозможность предугадать будущее, так как «машину времени» ещё не изобрели (а только так можно обеспечить полное совпадение фазы и противофазы друг с другом, сгенерировав противофазу точно, в нужный момент);
- несовершенство самой звуковоспринимающей и звукогенерирующей системы, которая не может генерировать звук с достаточной точностью, чтобы он полностью совпадал с оригиналом;
- инертность работы звуковой системы, что дополнительно привносит ошибку в обработку звука.
Поэтому в реальности будет наблюдаться следующая картина (картинка, просто для примера), а, возможно, и хуже:
Но, несмотря на массу проблем, эффективность уже существующих систем, доступных для сборки самостоятельно, вполне заслуживает того, чтобы провести самостоятельные опыты в этой сфере. Да, полное глушение звука не происходит, однако, во многих реальных ситуациях жизни, достаточно даже существенного снижения уровня шума, чтобы качественно увеличить комфортность проживания.
Особенно это важно в настоящее время, в связи с высокой урбанизацией и скученностью населения в больших городах, что вызывает, в частности, необходимость проживания поблизости от оживлённых городских трасс и шумных улиц.
Если посмотреть на существующие в данный момент системы, то принцип их действия, как правило, выглядит следующим образом: микрофон воспринимает шум окружающей среды и подаёт его на вход электронной схемы, которая разворачивает этот шум по фазе, и направляет на выход схемы, к которому, обычно подключено некое звуковоспроизводящее устройство: наушник(и) или динамик(и).
Регулируя силу выходного развёрнутого по фазе сигнала (другими словами, его громкость), можно добиться существенного снижения шумового фона вокруг (с массой ограничений и оговорок, но, тем не менее).
Периодически появляются достаточно интересные стартапы, которые концентрируются на решении проблемы шума, именно с использованием систем шумоподавления, действующих на основе описанного выше принципа. Одним из подобных стартапов является проект Whisper на кикстартере.
К сожалению, проект не смог набрать необходимое количество финансирования, чтобы запустить производство, что, однако не делает его менее интересным.
Проект предлагал систему, состоящую из двух отдельных модулей, связанных между собой по беспроводному каналу:
- внешнего, для размещения за пределами помещения (содержащего микрофон)
- внутреннего, для размещения, соответственно, внутри, содержащего систему воспроизведения звука и управления ей):
Картинка kickstarter
Как заявляли основателя проекта, устройство позволяло снизить типичный уровень городского шума, доходящего вплоть до 110 дБ, до величин в 45 дБ или менее.
На сайте проекта весьма наглядно показаны варианты его применения, в которых система хорошо работает. Если вкратце, то он наиболее эффективен, если источник(и) звука находится перед воспринимающим микрофоном, и устройства размещаются на каждый источник проникновения звука в помещение (на каждое окно):
Картинка kickstarter
Так как проект был снабжён двумя небольшими динамиками для воспроизведения звука, мощностью в 8 Вт, то он не был предназначен для борьбы с особо громкими звуками, однако его вполне было достаточно для снижения загрязнения типичной городской среды. В целях уменьшения шумового загрязнения промышленных помещений, проект планировал в будущем предлагать усиленную версию, с более мощными динамиками.
Система обладала не только свойствами шумоподавления, но и могла выступать в качестве беспроводного средства воспроизведения музыки со смартфона, через bluetooth.
Кстати говоря, на странице проекта есть весьма впечатляющие тесты системы, которые наглядно показывают уровень звука в реальном времени с замерами (было/стало).
К сожалению, сайт кикстартера не позволяет сослаться точно на данное видео или же расшарить его. Поэтому желающие увидеть эти тесты, могут пройти вот по этой ссылке и найти на странице под выделенным заголовком "Protect hearing by wide frequency noise reducing" — видео с тестом.
Конечно, на первый взгляд, можно было бы подумать, что это всего лишь рекламные слова, с помощью которых проект старался привлечь себе финансирование. Однако, как показывают тесты множества других испытателей на YouTube, подобная концепция вполне имеет место быть и работает даже на электронных схемах собранных «левой ногой». Например, в видео ниже, человек собрал тестовую схему, в которой использован микрофон и два динамика. Один динамик постоянно излучает монотонный звук, а другой подаёт противофазу. Хорошо заметно, как сильно уменьшается звук после включения противофазы:
Попробуем прикинуть, а реально ли нам самим собрать нечто подобное рассмотренному выше проекту с кикстартера, для своих собственных тестов?
На самом деле, абсолютно реально и достаточно просто. И в этом нам поможет интересный вид радиоэлектронных компонентов под названием «операционный усилитель»(стоит, кстати говоря, достаточно недорого и можно найти по 20 руб. и даже меньше).
Устройство на электронных схемах имеет следующее обозначение и выглядит как треугольник или прямоугольник:
Картинка статья «Операционный усилитель? Это очень просто!», Алексей Соколюк, cxem.net
Как можно видеть по картинкам выше, как правило, подобное устройство имеет 5 стандартных контактов, два из которых служат для подачи питающего напряжения ( +U, -U), два для подачи входящего сигнала (инвертирующий вход, неинвертирующий вход) и один выход.
Входы устройства предназначены для подключения его в нескольких вариантах, однако нам наиболее интересен вариант «инвертирующего включения», это означает, что если на вход устройства подать сигнал, то на выходе будет тот же самый сигнал, только развёрнутый по фазе.
Картинка статья «Операционный усилитель? Это очень просто!», Алексей Соколюк, cxem.net
Как можно видеть, в схеме присутствует переменный резистор отрицательной обратной связи (Rooc), назначение которого заключается в том, что мы можем менять степень усиления, или, если сказать по-простому, можем менять выходной сигнал, вплоть до полного его отсутствия (как вы могли видеть выше, где тестировалась система с кикстартера, там в видео теста шумоподавления используется примерно аналогичный способ контроля усиления с помощью ползунка, насколько удалось заметить, сенсорного). Способ работы этого резистора, заключается в том, что «плюс на минус дают ноль». То есть если мы будем примешивать определённый процент выходного инвертированного напряжения к входящему, то, чем больше мы его примешиваем, тем больше обнуляется входящее, что соответствующим образом влияет и на выходной сигнал, вплоть до его полного отсутствия.
Теория работы этого устройства достаточно обширна и интересна, и вы можете её, при наличии интереса, более подробно прочитать по ссылке здесь. Кроме того, даже на хабре есть развёрнутая статья на эту тему.
Устройство выполнено в различных корпусах, которые для выводного монтажа могут выглядеть примерно так:
Картинка статья «Операционный усилитель? Это очень просто!», Алексей Соколюк, cxem.net
Каждое такое устройство, благодаря своей компактности позволяет разместить в одном корпусе от двух до четырёх полностью независимых операционных усилителей.
Возвращаясь же к нашей системе шумоподавления, есть инвертирующая схема для подключения микрофона:
Картинка radiohlam
Где использованы следующие номиналы деталей:
- R1, R2: 47кОм
- R3: 1 кОм
- R4: 100 кОм
- R5: 4,3 4,3 кОм
- R6: 47 кОм
- С1 (керам.): 0,1 мкФ, 6В
- С2 (электролит): 100 мкФ, 3В
- С4 (керам): 4,7 нФ (или любой от 1 до 10 нФ)
- С3 (керам): 10 мкФ
- С5 (керам): 10 мкФ
- Операционный усилитель: LM358 (или любой на 3В)
Однако, кроме схемы усилителя, понадобится ещё и усилитель звука для динамика. В принципе, можно использовать любой, который поддерживает подключение линейного сигнала, либо даже попробовать использовать самый простой усилитель на трёх деталях:
- Транзистор TIP41A
- Переменный резистор(регулятор громкости) 100 кОм
- Конденсатор 35В, 470 мкФ
И подключить его к выходу с операционного усилителя:
Кроме того, для проекта подобного на кикстартере, понадобятся ещё и плоские мощные динамики, их можно найти на известном китайском сайте, искать по ключевым словам «плоские динамики». Точную ссылку не даю, дабы не реклама (ниже показана версия на 10 ватт):
Ну вот, в общем-то и всё. Никто не мешает вам провести свою собственную серию экспериментов, и посмотреть, насколько оно применимо для вашей ситуации!
Кстати говоря, в порядке вникания в эту тему, появилась интересная мысль: если мы не можем заглянуть в будущее, чтобы сгенерировать идеальную противофазу, может быть — мы можем замедлить скорость звука, для того чтобы дать больше времени для реакции электронной системы?! Почему это важно: практически всё в системе шумоподавления поддаётся контролю (с тем или иным уровнем усилий и усложнения системы), однако в классическом варианте — нельзя контролировать время. А если фаза и противофаза идеально не совпадают, то «всё остальное не имеет смысла» (понятно, что утрированно сказано, в реальности не всё настолько плохо). Но хотелось бы контролировать и этот, самый сложный компонент системы (в реальной жизни для этого иногда максимально далеко относят микрофон от звукоизлучателя, чтобы дать больше времени для электроники; но это не контроль скорости волны в чистом виде).
Несмотря на кажущуюся бредовость подобной мысли, она имеет некоторое основание для существования. Дело в том, что скорость прохождения звука через разные среды – различна и это общеизвестно:
Картинка wikipedia
Согласно классической теории, при прохождении звука через среду, происходит уменьшение его амплитуды, при этом скорость прохождения сохраняется неизменной (не совсем точно нарисовал, но, я думаю, вы меня поняли):
Однако, возможно, подобное является константой, только при стандартных условиях? Возможно, при складывании определённой ситуации (наличие стоячих волн на пути звука, воздействие на него какими-либо излучениями и т.д.) — имеется возможность искусственно изменить его скорость или даже совсем остановить? То есть, воздействовать на среду таким образом, чтобы она изменила условия прохождения звука (т.е. если ещё проще: звуковая волна ещё не дошла до слушателя, а мы уже имеем её «полный портрет» и успели сгенерить противофазу). Достаточно любопытный вопрос, который теоретически может привести к интересным выводам и устройствам… Но тут требуется уже помощь физиков.
Подытоживая рассказ о системах активного шумоподавления, нужно сказать, что они вполне успешно работают, но только в диапазоне частот, примерно от 100 до 1000 Гц. Это связано с тем, что звуки с частотой ниже 100 Гц достаточно проблемно заглушить с использованием слабых маленьких динамиков, глушение же более высоких частот от 800 Гц и более, приводит к неоднозначным результатам, когда глушение звука происходит для одного уха, а для другого, — может произойти даже усиление звука. Подобные явления связаны с длиной волны.
Кроме того, для эффективного шумоподавления важное значение имеет подстройка всей системы к геометрии объёма, в котором распространяется звук (внутренность человеческого уха, если это наушники; форма салона, если это система для автомобиля).
Говоря же об эффективности, можно сказать, что в общем случае она может достигать 50% и более, особенно если используются дополнительные ухищрения:
- предварительный анализ распространения звука в ухе человека (если это система для наушников), с помощью установленного внутри наушника микрофона, направленного внутрь уха, и последующая подстройка электронной системы под результаты анализа;
- подмешивание в звук маскирующего тона, который не глушит шумы, а скрывает их;
- прогнозирование будущих звуков, особенно если они монотонные, технологического типа (хорошо работает для различных фабрик, заводов, когда некий механизм работает с определённой периодичностью и система с высокой вероятностью может предугадать, с какими интервалами и какой звук будет издавать механизм, соответственно, сгенерировать для этого звука противофазу).
Таким образом, мы видим, что идеального универсального рецепта глушения шума не существует, тем не менее — уже известные способы вполне работают (с некоторыми оговорками), и позволяют даже провести серию самостоятельных опытов в этой области.
Автор:
DAN_SEA
