Исследователи EPFL разработали сверхтонкую систему активного шумоподавления со 100% эффективностью, в которой вместо динамиков используется плазменный двигатель с ионизированным воздухом. Слой толщиной 17 мм (0,6 дюйма) может блокировать шум частотой 20 Гц так же, как стена толщиной 4 м (13 футов).
Если вы знаете, как работает активное шумоподавление, то пропустить вперед. По сути, звуковые волны, которые мы слышим, — это волны давления в окружающем нас воздухе. Конусы динамиков представляют собой большие и легкие мембраны, разработанные для того, чтобы проталкивать воздух по точной схеме для создания волн давления, либо в форме приятной музыки, либо в форме того, что дети слушают в наши дни.
Активное шумоподавление (ANC) — это идея измерения этих волн давления с помощью микрофона, затем создания точно таких же волн давления в обратном направлении и воспроизведения их через динамик. Давление снимается с пиков положительного давления и добавляется к впадинам отрицательного давления, и новая волна более или менее стирает старую волну с лица земли.
ANC хорошо работает в наушниках и автомобилях, где акустическая среда достаточно контролируется, а точки прослушивания достаточно легко найти. Это также хорошо работает в масштабе комнаты — хотя, как вы можете видеть в видео ниже, если вы хотите нейтрализовать низкочастотные, длинноволновые басовые звуки, вам понадобится стена, полная динамиков, чтобы сделать это. .
Прототип Soundrelief, 2012 г.
Но что, если бы ваши динамики могли быть сверхтонкими листами вместо стопки тяжелых диффузоров? Команда EPFL Acoustic Group решила проверить возможности шумоподавления ионных динамиков на основе плазмы, которые являются тонкими, легкими, простыми и дешевыми в изготовлении.
Эти динамики работают как ионные двигательные установки, используя электрическое поле для ионизации окружающего воздуха в плазму, создавая положительно и отрицательно заряженные частицы. Эти ионы затем магнитно ускоряются и отталкиваются от окружающего воздуха, создавая волны давления. Изменяя приложенное напряжение, вы можете мгновенно изменить количество проталкиваемого воздуха.
Команда EPFL выпустила видео ниже в 2020 году, демонстрирующее громкоговоритель на основе плазмы, построенный из перфорированных металлических пластин с проволочными петлями на короткой расстоянии позади них.
Плазменный громкоговоритель 2020 г.
Эти вещи не собираются бросать вызов хорошему набору диффузоров динамиков по точности воспроизведения. Но они очень чувствительны к изменениям напряжения, так как нет относительно тяжелой мембраны динамика, которую нужно сдвинуть, прежде чем вы сможете начать движение воздуха.
«Мы хотели максимально уменьшить влияние мембраны, поскольку она тяжелая», — объясняет Станислав Сергеев, постдоктор из Акустической группы EPFL и первый автор нового исследования, опубликованного в Nature Communications. . «Но что может быть легким, как воздух? Сам воздух. Сначала мы ионизируем тонкий слой воздуха между электродами, который мы называем плазмоакустическим метаслоем. Те же частицы воздуха, теперь электрически заряженные, могут мгновенно реагировать на команды внешнего электрического поля и эффективно взаимодействовать со звуковыми колебаниями в воздухе вокруг устройства, чтобы нейтрализовать их».
Исследовательская группа обнаружила, что да, эти плазмоакустические динамики были исключительно отзывчивыми и эффективными при подавлении высоких частот. Но они также продемонстрировали, что могут быть полностью эффективны для уничтожения низкочастотных звуков, что интересно, поскольку воспроизведение басов не было одной из сильных сторон этих ионных динамиков в видео 2020 года.
Например, 20 Гц — это примерно низкочастотный предел человеческого слухового аппарата. Эта нота настолько низкая, что ее длина волны в воздухе составляет 17 м (56 футов). Если вы хотите заглушить звуковую волну частотой 20 Гц, используя обычные шумоподавляющие пены или звукопоглощающие стены, вам понадобится что-то толщиной около 4 м (13 футов). Система плазмоакустического метаслоя может полностью погасить эту волну толщиной всего в одну тысячную длины волны, или 17 мм (0,6 дюйма).
Тонкая, простая, эффективная и предположительно дешевая замена звукоизоляционным пенам и стенамСтанислав Сергеев & ; Матиас Делахайе/EPFL
«Сто процентов интенсивности входящего звука поглощается метаслоем, и ничего не отражается обратно», — говорит старший научный сотрудник Acoustic Group EPFL Эрве Лиссек. «Самый фантастический аспект этой концепции заключается в том, что, в отличие от обычных звукопоглотителей, основанных на пористых сыпучих материалах или резонирующих структурах, наша концепция в какой-то степени невесома. Мы представили совершенно новый механизм звукопоглощения, который можно сделать тонким и легким, как возможно, открывая новые границы с точки зрения контроля шума, где пространство и вес имеют значение, особенно на низких частотах».
EPFL предоставила лицензию на плазменную технологию швейцарской компании Sonexos, которая движется к ее коммерциализации в масштабах всей страны. широкий спектр приложений.
«Мы чрезвычайно воодушевлены огромным потенциалом плазменной технологии в снижении шума и улучшении акустики различных внутренних помещений, включая салоны автомобилей и самолетов, офисные помещения и дома», – говорит генеральный директор Sonexos Марк Дональдсон в пресс-релиз. «Поскольку мы возглавляем усилия по разработке и коммерциализации, для нас большая честь сотрудничать с исключительной командой инженеров EPFL».
Мы будем очарованы, увидев, как эта концепция продвигается на пути к рынку, поскольку выглядит исключительно дешевым, эффективным, надежным и удобным способом устранения шума. Очевидно, что в реальном мире все становится намного сложнее, чем в лаборатории, но такие вещи могут изменить жизнь к лучшему.
Исследование находится в открытом доступе в Nature Communications.
