См. также № 17/05

Как это устроено?..

ШУМОПОДАВЛЯЮЩИЕ НАУШНИКИ.  На авиапассажиров обрушивается умопомрачительный (75–80 дБ) рёв реактивных турбин. Постоянный шум досаждает пассажирам и метро, и поездов, и автомобилей. Надев простые наушники, чтобы заглушить царящий вокруг вой, и прослушать записи с компакт-дисков, мы лишь увеличиваем силу звука, бьющего по нашим барабанным перепонкам. Противошумные вкладыши (беруши) или специальные наушники для защиты от шума обычно уменьшают его интенсивность на 15–25 дБ, но создают определённые неудобства и не позволяют, например, слышать звук при демонстрации фильма на борту самолёта или пользоваться своим аудиоплеером. Помочь в этих случаях могут специальные наушники, подавляющие внешний шум. Их наиболее совершенные модели стоимостью около 300 долл. снаружи выполнены из материалов, которые блокируют высокочастотные составляющие внешнего шума, не пропуская частоты выше 200 Гц. Оставшиеся низкочастотные компоненты шума, от которых невозможно избавиться обычным (пассивным) способом, подавляются активно – с помощью электроники и динамика. Специальный микрофон внутри каждого наушника улавливает звуковые волны шума, прошедшие через внешнюю оболочку головного телефона, а динамик создаёт волны давления, подавляющие шум. После этого громкость прослушиваемой музыки можно настроить по вашему желанию.

Лучшие модели, пассивно (т.е. без электроники) подавляющие внешний шум, уменьшают его на 15–25 дБ. Использование электроники позволяет уменьшить низкочастотный шум ещё на 10–15 дБ. Чтобы подавить шум, внутренний микрофон, электронная схема и динамик, образуя систему с обратной связью, должны создавать волны давления той же амплитуды, но противоположного знака (сдвиг по фазе на 180°). Система всегда работает с некоторой задержкой, но если она не более 25° , то удаётся уменьшить интенсивность шума на 20 дБ. Наушники, компенсирующие шум с большим запаздыванием, менее эффективны.

Электроника способна также бороться с некоторыми звуками средней частоты, которые просачиваются внутрь, когда наушники не такие массивные или не так плотно прилегают. Но активно подавлять шумы частотами выше 500–1000 Гц становится очень трудно, т.к. устройству остаётся всё меньше и меньше времени на создание сигнала обратной полярности. (Следует заметить, что частота колебаний женского голоса обычно около 225 Гц.) Для подавления высокочастотных помех можно использовать гораздо более сложную электронику – системы «опережающего управления», которые регистрируют внешний шум и генерируют аналогичный сигнал обратной полярности.

 

ВОЛНА ДАВЛЕНИЯ внешнего шума подавляется с помощью так называемой деструктивной интерференции: динамик создаёт волну равной амплитуды, но сдвинутую по фазе на 180°. Обратите внимание, что шум состоит из колебаний многих частот.

 

 

Сигнал от мелодий, проигрываемых на CD- или MP3-плеерах, улавливается электроникой, и динамик не подавляет частоты, соответствующие аудиозаписи.

 

Отверстия в корпусе наушников увеличивают эффективность динамика, особенно в тех случаях, когда необходимо бороться с сильным шумом (например, 90 дБ).

 

Конструкция наушников позволяет практически изолировать ухо от высокочастотных составляющих внешнего шума. При этом низкочастотный шум легко проникает во внутреннюю полость наушника и улавливается микрофоном, после чего электроника создаёт аналогичные волны обратной полярности и направляет их в динамик, расположенный там же. В результате шумовые волны и волны из динамика взаимно уничтожаются до того, как достигают барабанной перепонки.

Знаете ли вы, что?..

Когда они появились. В 1950-х гг. ВВС США пытались создать наушники с активным шумоподавлением, однако только с внедрением в 1970-х гг. крошечного электретного микрофона появилась возможность сделать это устройство миниатюрным и потребляющим ничтожную мощность. Первые шумоподавляющие наушники стали выпускаться в 1989 г.

 

Интенсивность шума. Продолжительное воздействие шума интенсивностью более 85 дБ может ухудшить слух. Непрерывный шум приводит к быстрой утомляемости, увеличивает стресс и даже продлевает нежелательный сдвиг внутренних часов организма при перелёте через несколько часовых поясов. Шкала интенсивности шума логарифмическая – в дБ. Поэтому, например, шум 50 дБ в 10 раз больше по интенсивности, чем шум 40 дБ, хотя, по нашим ощущениям, он больше всего лишь раза в два. Обычный разговор – это шум 50–60 дБ, внутри автомобиля с четырёхцилиндровым двигателем шум 70–75 дБ, в первом классе пассажирского самолёта – 75–80 дБ, от газонокосилки – 95 дБ, от циркулярной пилы – 105 дБ, на рок-концерте – 110–120 дБ.

 

Путь к Бесшумной кабине. Инженеры пытались подавить шум в кабине пилота военного самолёта, размещая для этого динамики через каждые 30 см. Большое количество громоздких динамиков не только требовало довольно много места, но и значительной энергии для питания. Кроме того, в таких системах появлялись различные отражения (эхо) и возникали стоячие волны. Реально получались только «тихие» зоны, а не абсолютно тихие кабины.

 Scientific American, 2005, February (№ 2, v. 292), p. 76–77.
Сокр. пер. с англ. К.ю.Богданова

Продолжение в №21