Много шума для тишины

Сегодня системы активного шумоподавления — не такая уж и экзотика: их устанавливают в автомобилях и самолетах, встраивают в наушники и даже тестируют в помещениях. Между изобретением технологии и началом ее использования прошли десятки лет, а оригинальному автору идеи ее настойчивое продвижение и вовсе стоило научной карьеры. N + 1 рассказывает, как и зачем люди учились глушить шум шумом, каковы преимущества и недостатки таких систем, и что стало с немецким физиком Полом Люгом после того, как он все-таки получил патент на свое изобретение в США.

Гул авиадвигателя, городской шум за окном, утренний рев соседского перфоратора — в нашу жизнь регулярно вторгаются бессмысленные и беспощадные звуки, волны упругих механических колебаний. Любой звук для слышащего начинается с вибрации барабанной перепонки, которая передается по цепочке маленьких косточек в черепе и затем становится сигналом, бегущим по слуховому нерву в головной мозг. Весь этот труд регулярно оказывается не только ненужным, но даже вредным: слово «шум» мы противопоставляем «сигналу», на шум жалуемся, от шума пытаемся сбежать или защититься.

Громкость любого звука зависит от амплитуды волн, которые по некой среде (будь то воздух, вода или даже твердое тело) добегают до наших ушей, то есть от размаха колебаний частиц среды — чем больше «горбы» смещения, тем громче звук. Чтобы сделать любой звук тише, нужно уменьшить его амплитуду, пока он не добрался до наших барабанных перепонок. Обычно размах колебаний уменьшают, возводя всевозможные препятствия на пути распространения волны. Уличный шум ослабевает, если закрыть в комнате окно. От рева соседского перфоратора за стеной можно спастись при помощи берушей. Однако такой подход не всегда удобен и эффективен: в салоне самолета слышен гул двигателей, потому что стенок корпуса для защиты от этого шума недостаточно, в комнате с закрытым окном попросту становится душно, а в приспособлениях для ушей сложно сочетать хорошую звукоизоляцию с компактностью.

Можно перейти от пассивной защиты к активному противодействию: уменьшить амплитуду, создав вторую волну, колебания которой происходят в противофазе — то есть «горбы» колебаний этих волн направлены противоположно. При наложении друг на друга эти колебания ослабят друг друга, амплитуда результирующей волны уменьшится, и звук станет тише — дополнительный шум буквально заглушит исходный.

Гипотетически так можно, например, заглушить шумный досуг компании с портативной колонкой при помощи точно такой же колонки, работающей «зеркально». На практике, конечно, сделать это проблематично из-за сложностей копирования звука и особенностей его распространения — эти обстоятельства затрудняют работу даже самых эффективных приборов.

Первый в истории патент на систему активного шумоподавления подал немец Пол Люг в январе 1933 года, за три дня до назначения Адольфа Гитлера рейхсканцлером. Автор предложил записывать нежелательный шум при помощи микрофона, передавать сигнал на громкоговоритель и воспроизводить в противофазе — звуковые волны наложатся и погасят друг друга, благодаря чему исходный шум исчезнет. Люг полагает, что изобретение можно использовать для борьбы с эхом в театрах и концертных залах, а также для подавления шума печатных машинок в конторах.

Вопреки воле изобретателя, патентное бюро классифицирует разработку Люга как военную, на нее вешают гриф «секретно» и передают на рассмотрение армейским структурам. Через год ведомство направляет автору ответ: изобретение лишено новизны, не представляет практического интереса для армии и потому патент на нее Люгу выдан не будет. Ученый пишет ответ со своими возражениями, однако в феврале получает второе письмо, которое касается уже практической демонстрации активного шумоподавления — теперь комиссия сочла это оригинальным приложением уже известного принципа интерференции и вновь отметила бесполезность метода в военной отрасли: в то время громкоговорители действительно были слишком слабыми и громоздкими, чтобы использоваться в армии. Однако история активного шумоподавления на этом не заканчивается.

Второе дыхание

В середине двадцатого века об идеях Пола Люга вспоминают на другом континенте: в 1954–1957 годах исследователь Лоуренс Фогель из США делает три патентные заявки на первые головные гарнитуры с активным шумоподавлением, которые предлагает использовать в шлемофонах летчиков. К концу того же десятилетия Radio Corporation of America по заказу ВВС США разрабатывает и тестирует экспериментальную модель таких наушников: в лаборатории с их помощью удается ослабить шум в 100 децибелов (типичная громкость в кабине пилота) до уровня 80–85 децибелов (сравнимо с очень громким криком).

К концу восьмидесятых наушники с активным шумоподавлением идут в производство: в 1986 году прототипную гарнитуру от компании Bose используют пилоты

в ходе первого в истории беспосадочного кругосветного путешествия на самолете без дозаправок. В то же время

испытания систем динамиков, устанавливаемых для борьбы с шумом внутри летательных аппаратов, а в 1992 году Nissan

первый автомобиль с таким же оборудованием в салоне.

В последующие десятилетия технология распространяется и укрепляется на рынке — принцип активного шумоподавления, который поначалу сочли непригодным для военного дела, теперь приносит пользу как армии, так и массовому потребителю. Сегодня технологию используют различные наушники (как специального, так и универсального назначения), причем подавлением шума может заниматься основной динамик устройства, воспроизводя смесь полезного и заглушающего сигнала: то есть к музыке, которую вы слушаете, добавлять и «голос» перфоратора за стеной, чтобы его подавить. Кроме того, шум глушат шумом в салонах некоторых ближнемагистральных самолетов, автомобилей, а также в серверных шкафах: здесь используются уже наборы громкоговорителей (от одного до нескольких десятков), расположенных вдоль границ области, в которой необходимо погасить звук. Принцип тут тот же: уловить шум (звук двигателя, шум систем охлаждения и т.п.), обратить его фазу и «залить» полученным звуком помещение.

Как это не работает

Несмотря на ряд преимуществ систем активного шумоподавления над обычной звукоизоляцией, у таких устройств есть существенные ограничения, о которых не всегда спешат сообщать в рекламе. Важно понимать, что в контексте любого реального прибора можно говорить лишь о приближенном воспроизведении шума в противофазе — заглушаемый звук не гасится полностью, а в той или иной мере ослабляется (если в задачи системы входит сохранить некий полезный сигнал — например, мелодию из наушников, — он также несколько искажается). К этому приводит целое множество технических сложностей.

Во-первых, проблемой для систем активного шумоподавления является частотный диапазон эффективной работы. На низких частотах (десятки герц и менее) компактным динамикам не хватает мощности, а на высоких (начиная примерно с 800 герц) — длина заглушаемой волны становится сравнима с размерами человеческой головы. Поэтому создать «анти-волну» для таких звуков, проблематично— заглушив ей колебания у одного уха, можно одновременно с этим усилить шум у другого.

Во-вторых, для внешних (не носимых) систем сложность может представлять геометрия области, в которой подавляется звук и которой определяется характер его распространения. Если под конкретные кабины самолетов и салоны автомобилей можно подстраиваться в ходе испытаний, то для массового применения в помещениях системы активного шумоподавления должны быть куда более универсальны (или, наоборот, требовательны к самому помещению). Кроме того, даже в областях сравнительно простой формы использование шумоподавляющих динамиков на практике может приводить к локальному повышению уровня громкости звуков.

Вопрос универсальности касается и характера заглушаемого звука — в воздушном и наземном транспорте шум достаточно однообразен, поскольку связан с работой периодических механизмов, пропеллеров или двигателей — это позволяет настраивать работу системы еще на этапе испытаний в лаборатории. В случае же обыкновенных наушников и помещений необходимо учить систему реагировать уже на разные звуковые колебания. Для этого нужно либо заблаговременно успевать записывать шум: в наушниках это неудобно из-за маленького расстояния от микрофона до уха, а в зданиях развешивать дополнительные микрофоны и динамики по территории, либо (что, как правило, практичнее) предусматривать несколько фиксированных режимов работы устройства и переключаться между ними в зависимости от типа шума.

В некоторых носимых устройствах (умных берушах) используется не заглушение, а маскировка шума. Эта технология не относится к активному шумоподавлению, однако имеет схожий принцип действия: к нежелательному звуку добавляют искусственно сгенерированный шум (например, белый шум или монотонные природные звуки: шум дождя или морского прибоя). В результате фоновые шумы не ослабляются, но становятся незаметными на фоне сгенерированного.

История продолжается

Пол Люг, не получив патента в Германии, не сдался и попытался запатентовать свою идею за рубежом — вскоре изобретение зарегистрировали в США, Австрии, Италии и Франции. Немецкие бюрократы были недовольны — несмотря на «бесполезность» идеи Люга, действия изобретателя расценили как государственную измену, и он оказывался на грани тюремного заключения. Автор отвергал все обвинения, ссылаясь на публикации в английской прессе — за пределами Германии о его изобретении стало известно еще до того, как он решил получить патент в других странах — информацию могли сообщить работники Института Генриха Герца или армейских структур, которые занимались рассмотрением патента, однако возражения ученого не сочли убедительными, и отношения Люга с немецкими властями окончательно испортились.

Карьера физика на этом рушится: ему запрещают продолжать работу в университете, публиковаться и претендовать на финансирование своей работы. В возрасте сорока лет Люг начинает изучать медицину, последние месяцы Второй мировой войны — работает в госпитале, а затем перебирается в Кёльн, женится и проводит остаток своей жизни «уважаемым и популярным врачом», так и не дождавшись признания своего изобретения из области физики.

Несмотря на историческую несправедливость и обширный список ограничений, системы активного шумоподавления не были забыты и стали для нас удобным и эффективным способом борьбы со звуком. В последние годы такие устройства совершенствуются, у них появляются новые области применения, которые, вероятно, будут освоены уже в ближайшем будущем. Так, за последние годы систему установили в конуре для собак, предложили использовать в «бесшумных» дронах, научили заблаговременно регистрировать звук и протестировали в макетной комнате.

За десятки лет со дня представления патента активное шумоподавление прошло долгий путь — от двух печатных страниц патента, которые не были восприняты всерьез и разрушили карьеру их автора, до множества устройств и приспособлений для борьбы со звуком, окружающих нас в повседневной жизни.

Не каждое изобретение меняет нашу жизнь в корне — не становится смертоносным оружием, источником энергии или лекарством от прежде неизлечимой болезни. Красивая идея, которая однажды пришла в голову Полу Люгу, довольствуется сегодня весьма скромными практическими приложениями. Возможно, время ее «взлета» впереди, а может быть, ей и вовсе не суждено взлететь — в конце концов, скромность едва ли вредит настоящей красоте.

Николай Мартыненко