Сьогодні системи активного шумоподавлення - не така вже й екзотика: їх встановлюють в автомобілях і літаках, вбудовують у навушники і навіть тестують у приміщеннях. Між винаходом технології і початком її використання пройшли десятки років, а оригінальному автору ідеї її наполегливе просування і зовсім коштувало наукової кар'єри. розповідає, як і навіщо люди вчилися глушити шум шумом, які переваги і недоліки таких систем, і що стало з німецьким фізиком Полом Люгом після того, як він все-таки отримав патент на свій винахід у США.
Гул авіадвигуна, міський шум за вікном, ранковий рев сусідського перфоратора - в наше життя регулярно вторгаються безглузді і нещадні звуки, хвилі упругих механічних коливань. Будь-який звук для того, хто чує, починається з вібрації барабанної перепонки, яка передається по ланцюжку маленьких кісточок у черепі і потім стає сигналом, що біжить по слуховому нерву в головний мозок. Вся ця праця регулярно виявляється не тільки непотрібною, але навіть шкідливою: слово «шум» ми протиставляємо «сигналу», на шум скаржимося, від шуму намагаємося втекти або захиститися.
Гучність будь-якого звуку залежить від амплітуди хвиль, які з якогось середовища (будь то повітря, вода або навіть тверде тіло) добігають до наших вух, тобто від розмаху коливань частинок середовища - чим більше «горби» зміщення, тим голосніше звук. Щоб зробити будь-який звук тихішим, потрібно зменшити його амплітуду, поки він не дістався до наших барабанних перепонок. Зазвичай розмах коливань зменшують, зводячи всілякі перешкоди на шляху поширення хвилі. Вуличний шум слабшає, якщо закрити в кімнаті вікно. Від рева сусідського перфоратора за стіною можна врятуватися за допомогою берушів. Однак такий підхід не завжди зручний і ефективний: в салоні літака чути гул двигунів, тому що стінок корпусу для захисту від цього шуму недостатньо, в кімнаті з закритим вікном просто стає задушливо, а в пристосуваннях для вух складно поєднувати хорошу звукоізоляцію з компактністю.
Можна перейти від пасивного захисту до активної протидії: зменшити амплітуду, створивши другу хвилю, коливання якої відбуваються в протифазі - тобто «горби» коливань цих хвиль спрямовані протилежно. При накладенні один на одного ці коливання послаблять один одного, амплітуда результуючої хвилі зменшиться, і звук стане тихішим - додатковий шум буквально заглушить вихідний.
Гіпотетично так можна, наприклад, заглушити галасливе дозвілля компанії з портативною колонкою за допомогою точно такої ж колонки, що працює «дзеркально». На практиці, звичайно, зробити це проблематично через складнощі копіювання звуку і особливості його поширення - ці обставини ускладнюють роботу навіть найефективніших приладів.
Перший в історії патент на систему активного шумоподавлення подав німець Пол Люг у січні 1933 року, за три дні до призначення Адольфа Гітлера рейхсканцлером. Автор запропонував записувати небажаний шум за допомогою мікрофона, передавати сигнал на гучномовець і відтворювати в протифазі - звукові хвилі накладуться і погасять один одного, завдяки чому вихідний шум зникне. Люг вважає, що винахід можна використовувати для боротьби з відлунням у театрах і концертних залах, а також для придушення шуму друкованих машинок у конторах.
Всупереч волі винахідника, патентне бюро класифікує розробку Люга як військову, на неї вішають гриф «таємно» і передають на розгляд армійським структурам. Через рік відомство надсилає автору відповідь: винахід позбавлено новизни, не представляє практичного інтересу для армії і тому патент на неї Люгу виданий не буде. Вчений пише відповідь зі своїми запереченнями, проте в лютому отримує другий лист, який стосується вже практичної демонстрації активного шумоподавлення - тепер комісія визнала це оригінальним додатком вже відомого принципу інтерференції і знову відзначила марність методу у військовій галузі: в той час гучномовці дійсно були занадто слабкими і громіздкими, щоб використовуватися в армії. Однак історія активного шумоподавлення на цьому не закінчується.
Друге дихання
У середині двадцятого століття про ідеї Пола Люга згадують на іншому континенті: у 1954-1957 роках дослідник Лоуренс Фогель зі США робить три патентні заявки на перші головні гарнітури з активним шумоподавленням, які пропонує використовувати в шоломофонах льотчиків. До кінця того ж десятиліття Radio Corporation of America на замовлення ВПС США розробляє і тестує експериментальну модель таких навушників: в лабораторії з їх допомогою вдається послабити шум в 100 децибелів (типова гучність в кабіні пілота) до рівня 80-85 децибелів (можна порівняти з дуже гучним криком).
Лінійка гучності
Відчуття гучності звуку пропорційне не амплітуді звукової хвилі, а логарифму цієї амплітуди, тому рівень гучності звуку прийнято вимірювати в спеціальних одиницях - децибелах. Збільшення гучності на 1 децибел відповідає зростанню звукового тиску (амплітуди хвилі) приблизно в 1,122 разів, на 10 децибел - приблизно в 3,16 разів.
До кінця вісімдесятих навушники з активним шумоподавленням йдуть у виробництво: 1986 року прототипну гарнітуру від компанії Bose використовують пілоти «Вояджера» під час першої в історії безпосадкової навколосвітньої подорожі на літаку без дозаправок. У той же час проводяться випробування систем динаміків, що встановлюються для боротьби з шумом всередині літальних апаратів, а в 1992 році Nissan випускає перший автомобіль з таким же обладнанням в салоні.
У наступні десятиліття технологія поширюється і зміцнюється на ринку - принцип активного шумоподавлення, який спочатку визнали непридатним для військової справи, тепер приносить користь як армії, так і масовому споживачеві. Сьогодні технологію використовують різні навушники (як спеціального, так і універсального призначення), причому придушенням шуму може займатися основний динамік пристрою, відтворюючи суміш корисного і заглушливого сигналу: тобто до музики, яку ви слухаєте, додавати і «голос» перфоратора за стіною, щоб його придушити. Крім того, шум глушать шумом у салонах деяких близькомагістральних літаків, автомобілів, а також у серверних шафах: тут використовуються вже набори гучномовців (від одного до декількох десятків), розташованих уздовж меж області, в якій необхідно погасити звук. Принцип тут той самий: вловити шум (звук двигуна, шум систем охолодження тощо), звернути його фазу і «залити» отриманим звуком приміщення.
Як це не працює
Незважаючи на ряд переваг систем активного шумоподавлення над звичайною звукоізоляцією, у таких пристроїв є суттєві обмеження, про які не завжди поспішають повідомляти в рекламі. Важливо розуміти, що в контексті будь-якого реального приладу можна говорити лише про наближене відтворення шуму в протифазі - заглушуваний звук не гаситься повністю, а в тій чи іншій мірі послаблюється (якщо в завдання системи входить зберегти якийсь корисний сигнал - наприклад, мелодію з навушників, - він також дещо спотворюється). До цього призводить ціла безліч технічних складнощів.
По-перше, проблемою для систем активного шумоподавлення є частотний діапазон ефективної роботи. На низьких частотах (десятки герц і менш) компактним динамікам не вистачає потужності, а на високих (починаючи приблизно з 800 герц) - довжина заглушуваної хвилі стає порівнянна з розмірами людської голови. Тому створити «анти-хвилю» для таких звуків, проблематично - заглушивши їй коливання в одного вуха, можна одночасно з цим посилити шум в іншого.
По-друге, для зовнішніх (не носяться) систем складність може представляти геометрія області, в якій пригнічується звук і якою визначається характер його поширення. Якщо під конкретні кабіни літаків і салони автомобілів можна підлаштовуватися в ході випробувань, то для масового застосування в приміщеннях системи активного шумоподавлення повинні бути куди більш універсальні (або, навпаки, вимогливі до самого приміщення). Крім того, навіть у областях порівняно простої форми використання шумоподавних динаміків на практиці може призводити до локального підвищення рівня гучності звуків.
Питання універсальності стосується і характеру заглушуваного звуку - в повітряному і наземному транспорті шум досить одноманітний, оскільки пов'язаний з роботою періодичних механізмів, пропелерів або двигунів - це дозволяє налаштовувати роботу системи ще на етапі випробувань в лабораторії. У разі ж звичайних навушників і приміщень необхідно вчити систему реагувати вже на різні звукові коливання. Для цього потрібно або завчасно встигати записувати шум: в навушниках це незручно через маленьку відстань від мікрофона до вуха, а в будівлях розвішувати додаткові мікрофони і динаміки по території, або (що, як правило, практичніше) передбачати кілька фіксованих режимів роботи пристрою і перемикатися між ними залежно від типу шуму.
У деяких носимих пристроях (розумних берушах) використовується не заглушення, а маскування шуму. Ця технологія не належить до активного шумоподавлення, однак має схожий принцип дії: до небажаного звуку додають штучно згенерований шум (наприклад, білий шум або монотонні природні звуки: шум дощу або морського прибою). В результаті фонові шуми не послаблюються, але стають непомітними на тлі згенерованого.
Історія триває
Пол Люг, не отримавши патенту в Німеччині, не здався і спробував запатентувати свою ідею за кордоном - незабаром винахід зареєстрували в США, Австрії, Італії та Франції. Німецькі бюрократи були незадоволені - незважаючи на «марність» ідеї Люга, дії винахідника розцінили як державну зраду, і він опинявся на межі тюремного ув'язнення. Автор відкидав усі звинувачення, посилаючись на публікації в англійській пресі - за межами Німеччини про його винахід стало відомо ще до того, як він вирішив отримати патент в інших країнах - інформацію могли повідомити працівники Інституту Генріха Герца або армійських структур, які займалися розглядом патенту, проте заперечення вченого не визнали переконливими, і відносини Люга з німецькою владою остаточно зіпсувалися.
Кар'єра фізика на цьому руйнується: йому забороняють продовжувати роботу в університеті, публікуватися і претендувати на фінансування своєї роботи. У віці сорока років Люг починає вивчати медицину, останні місяці Другої світової війни - працює в госпіталі, а потім перебирається в Кельн, одружується і проводить залишок свого життя «шановним і популярним лікарем», так і не дочекавшись визнання свого винаходу з області фізики.
Незважаючи на історичну несправедливість і великий список обмежень, системи активного шумоподавлення не були забуті і стали для нас зручним і ефективним способом боротьби зі звуком. В останні роки такі пристрої вдосконалюються, у них з'являються нові області застосування, які, ймовірно, будуть освоєні вже в найближчому майбутньому. Так, за останні роки систему встановили в конурі для собак, запропонували використовувати в «безшумних» дронах, навчили завчасно реєструвати звук і протестували в макетній кімнаті.
За десятки років з дня представлення патенту активне шумоподавлення пройшло довгий шлях - від двох друкованих сторінок патенту, які не були сприйняті всерйоз і зруйнували кар'єру їх автора, до безлічі пристроїв і пристосувань для боротьби зі звуком, що оточують нас у повсякденному житті.
Не кожен винахід змінює наше життя в корені - не стає смертоносною зброєю, джерелом енергії або ліками від раніше невиліковної хвороби. Гарна ідея, яка одного разу прийшла в голову Полу Люгу, задовольняється сьогодні вельми скромними практичними додатками. Можливо, час її «зльоту» попереду, а може бути, їй і зовсім не судилося злетіти - зрештою, скромність навряд чи шкодить справжній красі.