Борьба с шумом окружающей среды является весьма важным фактором личного комфорта проживания в условиях современного мира. Особенно это важно для профессий с потребностью в высокой мыслительной активности, так как шум может не позволить достичь высоких результатов.
В прошлой статье мы рассмотрели 2 основных варианта такой борьбы: экстенсивный и интенсивный. Но, на самом деле, способы глушения нежелательных звуков не ограничиваются только рассмотренными и существует еще, как минимум, один вариант — использование «звукопоглощающих метаматериалов»…
Чтобы сильно не повторяться, напомню, «в двух словах», в чём заключалась суть способов борьбы с шумами в рамках рассмотренных в прошлой статье: отражение и поглощение.
То есть: используя жёсткие преграды — можно добиться преимущественного отражения звуковой волны (более 90%), где оставшаяся часть звука всё равно проникает в преграду и с этим борются, в рамках, так называемого, «логарифмического закона» или «закона массы»: увеличивая массу преграды во столько раз, во сколько раз необходимо заглушить звук, по сравнению с текущим уровнем. Например, если текущая пр��града весит 10 кг и надо заглушить ещё на столько же — то новая преграда должна будет весить уже 100 кг и т.д.
Но увеличение массы «в лоб» всё равно неэффективно, низкочастотные вибрации всё равно проникают в преграду и, например, помещение, наполняется низкочастотным гулом. Почему — см. предыдущую статью, по ссылке выше.
Альтернативой этому расходному, классическому пути, является использование рассеяния и поглощения (в сочетании с уже применённым отражением): суть этого способа заключается в установке на пути звука волокнистых материалов, например, матов, из базальтовой ваты и прочих подобных материалов, которые, по сути, представляют собой сборку микролабиринтов, входя в которые, звуковая волна рассеивается, теряя своё давление и энергетика волны переходит в тепло.
Сочетая жёсткую преграду и преграду из микролабиринтов — можно добиться эффективного глушения, причём, с помощью гораздо более лёгкой преграды, чем в рамках первого пути: более 90% отражается жёсткой, относительно тонкой преградой, а остальное — рассеивается (также, относительно тонким) микролабиринтом (базальтовая вата и др. подобные волокнистые материалы).
Однако, как было уже выше сказано, есть ещё один очень интересный вариант, — применение метаматериалов.
В чём, вкратце, заключается суть этого способа: применяются поверхности, специальным образом сконструированные, которые так взаимодействуют со звуковой волной, что вызывают падение её амплитуды, то есть, говоря проще, приводят к понижению громкости.
В рамках этого способа тоже есть множество вариантов, которые, в основном, отличаются только предлагаемой конкретной архитектурой поверхности, где одним из широко распространённых подходов, является использование «резонаторов Гельмгольца», который, на момент изобретения в 1850 году, представлял собой сферический медный сосуд, с небольшой горловиной, имеющей определенную протяжённость.
Несмотря на такую округлую форму, математическая модель подобного устройства весьма проста и содержит всего 3 расчитываемых компоненты:
Объём полости (V), длина горлышка (L), площадь сечения горлышка (A):
Суть функции этого резонатора (как можно догадаться по его названию) заключается в вызове звукового резонанса, на определённого частоте, где частота определяется физическими размерами элементов (в основном, перечислен��ых выше 3 параметров) конкретного резонатора.
То есть, можно создать резонатор, который будет наиболее эффективно работать с какой-то одной частотой звуковых волн.
Другими словами: можно, используя эти 3 параметра, расчитать и создать резонатор, на конкретную звуковую частоту, с которой требуется работать. Формула и методика для расчёта есть тут.
Какую роль могут сыграть резонаторы подобного типа в системах подавления шума: они могут попросту перевести энергию звуковой волны — в тепловую. Причём, что особенно ценно — конкретной, наиболее «докучающей» частоты (к сожалению, «широкочастотных» резонаторов не бывает (по крайней мере, насколько мне известно).
Как мы рассматривали в одной из прошлых статей, резонаторы Гельмгольца не совсем простая штука и, в процессе работы, создают даже реактивный поток воздуха, дующий из горлышка резонатора наружу!
Причём, который возбуждается всего лишь звуковой волной (эдакий «реактивный двигатель без топлива» — интересная концепция, кстати).
Несмотря на относительно малый процент преобразования электрической энергии для генерации звуковой волны, в, собственно, реактивную тягу (если используется искусственная генерация, например, с помощью динамика) — тяга весьма существенная. Можете почитать, если интересно, по ссылке выше…
Основным принципом, на котором строится подавление звука с помощью таких резонаторов в случае потребности гашения звуковых волн в статичной среде, является интенсивное трение звуковых волн в узком горлышке.
Таким образом, если сказать проще, то наблюдается интересная картина: попадает в резонатор, где «раскачивается» и, после чего, в попытке выйти наружу, за счёт интенсивного трения, подавляется и, выдувается наружу в виде реактивного воздушного потока!
Скорость которого, к тому же, ещё больше замедляется, — как мы видели по ссылке выше, в процессе выдува реактивного потока, параллельно идёт подсос воздуха из окружающей среды, где реактивный поток сконцентрирован в центре сечения горлышка, а поток подсоса идёт по краям горлышка, прижатый к стенкам, то есть, наблюдается ещё и трение потоков…
Таким образом, звук, в буквальном смысле, выступает в качестве «топлива» такого резонатора, «сгорая» в процессе работы!
Любопытно, что функционал резонаторов Гельмгольца не ограничивается только таким «сжиганием» звука — интересно то, что они ещё и создают резонанс в противофазе (то есть, синусоиду, развёрнутую на 180°), тому звуку, который входит в них!
И далее, говоря научным языком, волна, развернутая по фазе, деструктивно интерферирует со входящей волной звука, в результате чего, они взаимно аннигилируются.
Именно на этом принципе и построены разнообразные глушители для мотоциклов, автомобилей...
Но, в данном случае, когда мы имеем дело со статичной средой (например, воздухом в комнате, в котором распространяется звук), а не с потоком газа (как в глушителе), этот эффект имеет меньшее значение (хотя тоже наблюдается).
Понятно, что один резонатор, не позволит эффективно работать со звуком, если мы поставили себе цель, глушить шумы — для этого нужен целый массив резонаторов!
И именно в этом направлении и работают учёные, располагая их самым разнообразным образом, зачастую, довольно мудрёным.
Кому интересно, можете почитать вот здесь, ещё ряд исследований на эту тему.
При этом, как мы уже увидели вот здесь — в качестве подобных резонаторов могут выступать абсолютно разные ёмкости: даже полые ёлочные игрушки и бутылки от лимонада! :-)
Таким образом, не нужно сильно привязываться к тому, что резонатор Гельмгольца обязательно должен выглядеть «как шар, с узким носиком», в реальности, нормально может работать весьма широкий круг конструкций, содержащих некоторую ёмкость и горловину — от этого будет меняться только резонансная частота.
Какие преимущества даёт это понимание: ясно, что, так как стоит задача создания массивов резонаторов, производство их с помощью широко распространённых методов будет довольно затруднено, если использовать классическую форму резонатора в форме шара, поэтому можно легко отойти от классической формы!
Да, 3D печать, и, в частности, FDM-печать, в некоторой степени снижают остроту проблемы, однако, это всё равно не промышленный способ, который позволил бы производить подобные глушащие покрытия с массивами резонаторов, в больших количествах*.
Конечно, мы можем пойти и «своим путём», применив массив принтеров. :-)
Но, есть способ гораздо проще...;-)
Как можно видеть, например, вот здесь, в одном из текстов патентов, и в изображениях к нему, описывается сотовая структура, создаваемая штамповкой и лазерной резкой:
По сути, это как раз практическая реализация той идеи, которая была высказана чуть-чуть выше: что резонаторы могут иметь весьма широкий диапазон форм!
И здесь мы как раз видим именно это: просто-напросто создали стенки сотового типа, которые служат для удержания всей конструкции, и уже далее, в эту структуру вставляются своеобразные «колпачки» со множеством отверстий, как по бокам, так и в передней части.
Таким образом, сочетание колпачков и стенок сотового типа — образуют множество резонаторов Гельмгольца!
Причём, что интересно, они здесь, для повышения эффективности, применили не единый носик, а множество, которое выполнено в виде отверстий...
То есть, мы здесь наблюдаем, что сама идея создания такого массива резонаторов не обязательно упирается в покупку безумного количества 3D принтеров — вместо этого вполне можно использовать и некие штампованные структуры, с тем же самым эффектом!
Понятно, что изучение таких промышленных конструкций, имеет довольно оторванный от практической жизни каждого из нас смысл и, наверняка, у каждого из вас возникает единственный вопрос: «а как бы мне это для себя-то применить, всё равно как-то сложновато...»
И тут есть один отличный вариант (до неприличия простой!), который широко применяется широким кругом энтузиастов: зачем нужно делать отдельные резонаторы, когда, можно сделать один резонатор, со множеством отверстий?!
И, кстати, вы этот вариант уже видели, выше - в способе изготовления массивов резонаторов, с помощью штамповки!
Причём, в реализации от энтузиастов, этот способ «упрощён до безобразия»: просто-напросто, делаем коробку, закрытую со всех сторон, а с передней стороны — прикрыв её дырчатой панелью!
Коробка, преимущественно, делается с дерева, а передняя панель, из фанеры, в которой и высверливаются отверстия!
Размеры коробки (длина, ширина, глубина), а также диаметр отверстий — подбираются таким образом, чтобы получить резонатор Гельмгольца на нужную вам частоту! При этом, так как классический резонатор должен иметь только 1 отверстие, а здесь получается массив отверстий — то к ним нужно относиться как к 1, но распределённому отверстию, и считать его площадь/глубину прохода — суммарно для всех.
Например, как можно было бы проделать на практике нахождение нужной частоты для глушения: прийти в нужное помещение, установить на смартфон какое-либо приложение с анализатором спектра шумов и, посмотреть, шумы каких частот превалируют в помещении.
Далее, остаётся только изготовить соответствующий резонатор, на нужную частоту, в виде коробки и установить его!
Причём, что интересно, как показывает опыт экспериментаторов, вовсе не обязательно увешивать всю поверхность стен этими резонаторами: наиболее мощные стоячие волны наблюдаются в помещении по углам, и посередине стен.
Таким образом, установив подобные коробки по углам и посередине стен, можно существенно приглушить шум в помещении!
Кстати говоря, некий похожий опыт, наверное, вы могли и сами когда-то наблюдать: если, повесить в помещении на стену обычный ковёр, звук в помещении перестаёт быть гулким, пропадает эхо - буквально от одного ковра, причём, не на всю стену!
Но, как мы выше уже говорили, - резонатор Гельмгольца позволяет пригасить всего лишь одну частоту.
А докучающий шум обычно представлен целым спектром частот, среди которых есть и средние, и высокие...
Поэтому, здесь имеет смысл идти следующим путём: коробчатый резонатор используется для глушения низких частот, где сама полость внутри этой коробки заполняется волокнистым материалом, который уже рассеивает и поглощает энергию средних и высоких частот!
При этом, чем больше объём резонатора, тем с более низкими частотами он может работать (в любом случае, имеет смысл, забить формулу, например в тот же самый Excel, чтобы поиграться с размерами резонатора...)
Ну, и сами видео, напоследок...
Тут, что интересно, есть даже калькулятор для расчёта конкретной панели глушителя:
Массив, собранный по аналогичной технологии:
Ну и пара обучающих видео, как собрать такую панель. Тут, кстати, хорошо видно, что панели можно располагать не сплошняком, перекрывая всю стену, а точечно. И этого вполне хватает. Единственное, что стоить отметить, они тут работают с обычными глушащими панелями, из волокнистых матов, а не с резонаторами Гельмгольца. Так что, их вполне просится проапгрейдить:
Размещайте облачную инфраструктуру и масштабируйте сервисы с надежным облачным провайдером Beget.
Эксклюзивно для читателей Хабра мы даем бонус 10% при первом пополнении.
