Поговоримо про акустику?

Загальну роль акустики в сучасному світі дуже вдало характеризує запропонована відомим американським ученим-акустиком Брюсом Ліндсеєм (R. Bruce Lindcey) схема, відома як «Ліндсеєвське колесо акустики» (нижче ми наводимо цю схему, адаптовану до української мови).

У ньому виділено чотири області людської активності, в яких акустичні знання мають важливе значення: Науки про життя, Науки про Землю, Мистецтво, Інженерія. Центральне місце у цій діаграмі посідають фундаментальні дослідження в акустиці, які об’єднано загальною назвою – фізична акустика.

Про цікавість акустичних явищ пишуть давно і багато. Почнемо з того, що згадаємо розділи “Звук та слух. Хвилеподібний рух” із чудових науково-популярних книг Якова Перельмана “Цікава фізика”, якими зачитувалися багато поколінь. Навіть не віриться, що перша книга “Цікавої фізики” вийшла ще в 1913 році, а друга – в 1916 році! До речі, термін “наукова фантастика” почали вживати саме з легкої руки Я.Перельмана, котрий листувався і з К.Ціолковским, і з С.Корольовим. Пізніше про акустику популярно писали В.Морозов в книзі “Цікава біоакустика” та Е.Вальдман в книзі “Цікава телеграфія та телефонія”. Сьогодні теж можна зустріти ентузиастів, котрі популяризують вже сучасні достягнення в галузі електроакустики, й роблять це сучасними засобами – маємо, зокрема, на увазі сайт “Авторский некоммерческий электронный журнал о звуке” ізраїльського інженера-електроніка Олександра Радзішевського. Взагалі, завдяки Інтернету можна знайти безліч корисної та цікавої інформації про акустику та акустичні пристрої – взяти хоча б розділ “Звук і акустика” сайту Hi-News.ru. Або, якщо ви музикант та хочете одержати поради із мастерінгу та зведення – до вашої уваги сайт WikiSound… Завдяки Інтернету ми теж зробили власну підбірку акустичних цікавинок, котру пропонуємо вашій увазі. При цьому ми притримувалися принципу “різнобарв’я”, намагаючись показати якмога ширший перелік застосувань акустики. Маємо надію, що це збудить у вас нові думки й заохотить до власних науково-практичних пошуків в галузі акустики…

Акустична система для моніторингу транспортного руху

Аспірант лабораторії електромагнетизму й акустики Швейцарської політехнічної школи в Лозанні Патрік Мармаролі (Patrick Marmaroli) розробив комп’ютерну систему з датчиками-мікрофонами, котра дозволяє автоматично контролювати дорожній рух. Ця технологія дозволяє не тільки визначати інтенсивність транспортного потоку, але й може оцінювати швидкість, розміри і навіть тип транспортних засобів. Два швейцарських міста – Сьон та Мартіньї – вже виявили зацікавленість до придбання таких систем.

Шум транспорту – це не просто шум. Як показав Патрік Мармаролі (Patrick Marmaroli), шум транспорту може бути ще й джерелом інформації.

Навчаючись в аспірантурі Швейцарської політехнічної школи в Лозанні, Патрік розробив комп’ютерну систему із парою мікрофонів в якості датчиків, за допомогою якої можливо оцінити інтенсивність дорожнього руху за звуком шин, що котяться по асфальту. Більш того, оцінити можна ще й швидкість окремих авто та навіть їх тип.

Система є надзвичайно простою: два мікрофони та ноутбук. «У перших випробуваннях використовувався ноутбук, але в майбутньому ми застосуємо менш габаритну систему на основі вбудованих цифрових процесорів», — пояснює Патрік. Зона уваги мікрофонів — усього чотири метри, перпендикулярно напрямку руху по шосе. Кожний транспортний засіб на дорозі розпізнається й відслідковується в реальному часі, при цьому також оцінюється швидкість автомобіля. Більш того, установка може визначити колісну базу транспортного засобу, що дозволяє зробити висновки про його загальні розміри. Помилка сягає 30 см, проте це небагато, порівнюючи із шириною однієї шини. У результаті система може розпізнати приналежність транспортного засобу до класів «легковий», «вантажний» або «автобус».

Таким чином, система має зачатки «штучного інтелекту». Щоб відфільтрувати сторонні шуми, в установці використовується відстеження звуків, подібних до закладених в пам’ять комп’ютера зразків. В результаті кроки пішоходів і звук відбійних молотків не будуть сплутані із шумом транспорту. Якщо система почала відслідковувати один автомобіль, що рухається із швидкістю 80 км/год в одну сторону, то поява іншого ідентичного шуму (зустрічне авто) на тій же ділянці шириною в чотири метри не зіб’є її з пантелику. Комп’ютерний «мозок» приладу дійде висновку, що перше авто не могло розвернутися безпосередньо за зоною прослуховування й відразу розігнатися до 80 км/год.

Як наслідок, центр регулювання міським рухом може не просто з’ясувати завантаженість тих або інших трас, але й визначити частку вантажівок або автобусів у такому завантаженні, а також оперативно вжити відповідних заходів.

Переваги системи розписувати не треба: в ній немає відео та фотокамер, радарів, центра збору даних, їй не потрібні оператори. Вона проста у встановленні, її робота не ускладнюється поганою видимістю; нарешті, вона  є незрівнянно дешевшою за аналоги. Два швейцарських міста – Сьон і Мартіньї – вже виявили інтерес до закупівлі таких систем й беруть участь у переговорах про фінансування їхнього виробництва.

P.S.: PhD дисертацію на дану тему захищено 15 лютого 2013 року.

Джерело: http://actu.epfl.ch/news/doctoral-student-designs-microphones-that-monito-2/

Гарнітура, що робить розмови по телефону нечутними для оточення

Ще один український проект – гарнітура Hushme – вийшов на Kickstarter. Киянин Роман Сакун разом з конструкторським бюро ARTKB запустили компанію зі збору коштів на проект гарнітури для смартфонів, що зробить розмови по телефону більш конфіденційними.

Ідея створити Hushme виникла ще в 2015 році. Співзасновник і топ-менеджер стартапу Роман Сакун сидів із друзями в кафе, а поряд із ними дівчина намагалася розмовляти по Skype, використовуючи навушники. Дівчина мимоволі розмовляла голосно, й відвідувачі почали оглядатися на неї. Зауважень дівчині ніхто не робив, однак вона почувала себе некомфортно і їй довелося перервати важливу розмову. Так і виникла ідея зробити пристрій, що вирішить цю проблему.

До Романа приєдналися фахівці з конструкторського бюро ARTKB, які раніше працювали з такими відомими українськими стартапами, як Petcube, iBlazr, Lametric, Hideez і іншими. В 2017 році був представлений прототип пристрою, що представили на CES 2017, де гарнітура відразу залучила уваги західних ЗМІ. Про Hushme написали CNET, Daily Mail, Time, Telegraph, BBC, Mashable, Engadget, а також показали по Fox news і CNBS.

Коли користувач розмовляє по телефону за допомогою гарнітури Hushme, сусіди практично не чують його, навіть якщо знаходяться поряд. Правда, слід очікувати, що гарнітура приверне увагу до зовнішнього вигляду користувача, оскільки глушник, що закриває його рота, нагадує напівмаску дещо футуристичного вигляду. Комусь із користувачів така увага сподобається, комусь – не дуже, але головним завданням розробників було створити пристрій, корисний для певного прошарку користувачів.

Перш за все Hushme орієнтований на офісних працівників, які не хочуть, телефонуючи, заважати колегам. Але Hushme може знадобитися й тим, хто знаходиться у відрядженні й бажає зберегти конфіденційність своїх розмов, блогерам й письменникам, які можуть вголос диктувати текст, не турбуючи домашніх, геймерам, щоб мама не почула, що дехто дотепер не спить, а грає в Dota 2…

Відеоролик, що рекламує можливості гарнітури Hushme, можна подивиттися за цим посиланням:

А тепер – трохи докладніше про гарнітуру.

У звичайному режимі гарнітура Hushme підключається до смартфону через Bluetooth і виконує роль звичайної безпровідної гарнітури, що дозволяє вести телефонну розмову або слухати музику.

У режимі пасивного маскування дужки гарнітури Hushme скріплюються за допомогою спеціальних магнітів, розташованих всередині маски, утворюючи кільце-напівмаску, що затуляє рота. Завдяки поглинання звуку цією напівмаскою, розмова є незрозумілою для людей на відстані метра, а для тих, хто знаходиться далі, й практично нечутною.

Найбільш цікавим є режим активного маскування голосу, що забезпечується електронікою, розташованою всередині маски, й спеціальним програмним забезпеченням. При натисканні на кнопку активуються зовнішні гучномовці, розташовані по периметру маски, які генерують звуки, що маскують. Що це будуть за звуки – користувач може обрати самостійно із галереї Hushme. Це може бути звук дощу, вітру або моря, лементу мавпи або дихання Дарта Вейдера…

Слід зауважити, що студенти 4-го курсу кафедри акустики та акустоелектроніки КПІ ім. Ігоря Сікорського, – Андрій Вітик так Даніїл Діденко, – під керівництвом професора Аркадія Продеуса зробили посильний внесок в розробку програмного забезпечення гарнітури Hushme, дослідивши ефективність маскування мовлення синтетичними шумами.

З цією метою було розроблене спеціальне програмне забезпечення для середовища Matlab. Використовуючи це програмне забезпечення, експериментально оцінено дієвість запропонованих видів шумів та відповідних алгоритмів іх генерування. Оцінювання виконували 10 магістрів кафедри, причому це оцінювання виконано в рамках учбового процесу, у вигляді комп’ютерного практикуму. Таким чином, “без відриву від навчання”, було одержано кількісні оцінки якості та розбірливості мовлення в залежності від інтенсивності, забарвленості та типу (стаціонарний-нестаціонарний) маскувальних шумів.

Відзначимо, що ці дослідження викликали значний інтерес з боку студентів. Причин тому кілька. По-перше, студенти розв’язували не якусь там “іграшкову” задачу про “три землокопи, що риють канаву”, а стикнулися із реальним завданням, що має практичний попит. По-друге, студенти наочно ознайомилися з реальними труднощами, із якими стикаються інженери-акустики за необхідності суб’єктивно, тобто за допомогою “власної слухової системи” оцінити такі непрості показники як якість та розбірливість мовлення. Нарешті, важливо й те, що таке оцінювання було організовано на найвищому сучасному рівні: зашумлені сигнали генерувалися автоматично у комп’ютері, пред’являлися слухачам у випадковому порядку (тобто слухач не знав заздалегідь, що він почує), а прослуховування зашумлених сигналів відбувалося у навушниках, що гарантувало достовірність результатів.

Звісно, велике задоволення від проведених досліджень одержав й їх куратор Аркадій Продеус. По-перше, отримані результати добре узгодилися із прогнозованими оцінками маскувальної здатності стаціонарних шумів. А дослідження дії нестаціонарних шумів взагалі були новітніми, й тому вдвічі цікавими та корисними як з наукової, так і з прикладної точок зору.

Головні замовники проведених досліджень, – топ-менеджер стартапу Роман Сакун та засновник ARTKB Алекс Нестеренко, – також високо оцінили отримані результати як з огляду на точність формулювання мети досліджень, так і з огляду на глибину опрацювання поставлених завдань.

Джерело: https://ain.ua/2017/05/10/ukraincy-vyveli-na-kickstarter-garnituru-hushme-kotoraya-delaet-razgovory-po-telefonu-neslyshnymi-dlya-okruzhayushhix

Акустична камера дозволяє бачити джерело незрозумілих шумів в автомобілі

Південнокорейські інженери створили компактну «звукову камеру», завдяки якій можна побачити джерело будь-яких підозрілих шумів у двигунах, панелях приладів, дверях і інших деталях автомобілів.

Локалізувати джерело гулу, скрипу й деренчання в автомобілях зазвичай нелегко. Щоб вирішити цю проблему, фірма Hyundai замовило фахівцям з інженерної акустики пристрій, що виявляє джерело звуків у діапазоні від 200 герців до 20 кілогерців. У результаті вийшла ручна «акустична камера» SeeSV-S205. Вона являє собою кілька десятків недорогих мікроелектромеханічних (МЕМС) мікрофонів, розставлених по спіралі навколо відеокамери.

Сигнали, що надходять із всіх мікрофонів, обробляються аналогічно тому, як це робиться в радарах – в результаті визначається напрямок на джерело звуку.

Пристрій відрізняється компактністю й зручністю в керуванні. Інструмент у реальному часі (25 кадрів у секунду) накладає двовимірну колірну карту звуку на відеозображення, що дозволяє оперативно виявити джерело звуку.

Джерело: http://spectrum.ieee.org/tech-talk/at-work/test-and-measurement/zero-in-on-buzz-squeak-and-rattle

Шумоізоляція авто своїми руками

Дуже часто комфорту в машині заважають сторонні шуми. Вони не тільки «давлять» на мізки, але й завдають певну шкоду організму. Щоб позбутися цього, автоаматори часто роблять шумоізоляцію, котра захищає водія й пасажирів від усіх скрипів та інородних шумів. Вибір матеріалу для шумоізоляції залежить від поставленої мети, тобто ізоляція для кращого звучання музики та зменшення рівня шуму буде різною.

Оскільки в більшості випадків бюджет обмежений, робити шумоізоляцію у всій машині одразу не варто. Краще почати з дверей, а потім переходити до підлоги, багажника і так далі. Що стосується набору інструментів, то обов’язково потрібними будуть будівельний фен, прикаточний ролік (щоб прикатати ізоляційний матеріал), ножиці для різання матеріалу, розчинник  (для обезжирювання поверхні перед тем, як нанести на неї шумоізоляцію).

Матеріали: Вібропласти Silver, Gold, БіМаст Бомб, Сплен 3004, Бітопласт 5, Акцент 10, Маделін

   

Шумоізоляція капота: Якщо зробити шумоізоляцію капота, то двигун не буде «потерпати» зимою від холоду. Щоб виконати цю операцію, будуть потрібні Акцент 10 та вібропласт Silver.

Шумоізоляція дверей: Цей вид ізоляції спрямований на позбавлення від сторонніх шумів зовнішнього оточення, а також для того, щоб музика в машині звучала краще. З цією метою достатньо взяти звичайний вібропласт «Silver» и «Gold». Кріпити матеріал треба всередині дверей напроти колонки. Якщо в машині стоїть хороша аудіосистема, то знадобиться як мінімум 4 шари ізоляційного материалу, аби музика в салоні звучала добре.

   

Шумоізоляція стелі й даху: Автолюбителі обробляють дах для того, щоб шум зовні не заважав комфорту: після звукоізоляції навіть найсильніший дощ не буде «бити» по голові. Для цього вида ізоляції підійде вібропласт вказаних вище видів.

Шумоізоляція підлоги: Головною метою цього виду ізоляції є зниження шуму від контакту автомобіля з дорогою, а також від ударів об днище машини мілких предметів. Вибір матеріалів необмежений, але зазвичай беруть Бімаст Бомб, а зверху нього кладуть Сплен 8 або 4.

   

Шумоізоляція багажника, арок и колісних ніш: Захистити багажник і п’яті двері хетчбеків вкрай важливо, оскільки саме звідти надходить більшість зайвих скрипів і шумів. Якщо ви хочети поставити в машині сабвуфер, то робити шумоізоляцію багажника обов’язково. Всі обшивки в багажнику треба покрити бітопластом. Колісні ніші найчастіше обклеюють вібропластом «Gold» або аналогом.

Джерело: https://auto.today/bok/handmade/salon/1971-shumoizolyaciya-avto-svoimi-rukami.html

Глушники: від автомобільного та мотоциклетного – до збройного

У сучасних автомобілях встановлюється від одного до п’яти глушників, але здебільшого їх – два. Найближчий до двигуна глушник називається попереднім (переднім) глушником або резонатором. За ним розміщується основний, задній глушник (див. малюнки).

    

На наведених малюнках досить добре видно, що на шляху звукових хвиль, що випромінюються двигуном, постає досить довга низка різних камер різного розміру. Звук переходить із камери в камеру через різні отвори, багаторазово відлунюється від стінок глушника. При цьому енергія звукових коливань перетворюється у теплову енергію, чим і досягається зниження рівня шуму. Крім того, за певної конфігурації камер глушника, звукові хвилі можуть накладатися одна на одну у протифазі – й таким чином взаємно знищуватися. Підсумовучи, можна сказати, що в автомобільному глушнику використовується комплекс технологій зниження рівня шуму:

• розширення (звуження) потоку;
• зміна напрямку потоку;
• інтерференція звукових хвиль;
• поглинання звукових хвиль.

Мотоциклетний глушник значно простіший. Його схему показано на наступному малюнку:

Передня частина глушника, від перетину I до перетину II, має вигляд довгого конуса та виконує роль акустичного трансформатора. Основну роль в глушнику виконує задня частина II-III, котра служить для глушіння шуму. Ця частина містить акустичний фільтр у вигляді кількох камер, проходячи через які, звукові хвилі втрачають свою енергію.

Як це не дивно, але глушник мотоцикла дуже схожий на збройний глушник, де також є низка розширювальних камер, відлунюючих конусів тощо. Кілька схем збройного глушника наведено нижче. В YouTube навіть можна знайти відео, де простенький однокамерний, але досить ефективний, глушник виготовляється “на коліні” із звичайного аерозольного балончика.

               

Джерела: http://www.autoopt.ru/articles/products/3084424/
http://systemsauto.ru/output/muffler.html
https://en.wikibooks.org/wiki/Engineering_Acoustics/Car_Mufflers

Акустичні фільтри для захисту слуху

Одним із застосувань електронних фільтрів є коригуваня рівня акустичного сигналу на різних частотах. Прикладом такого застосування є еквалайзери, котрі зазвичай реалізують апаратно-програмним (цифрові фільтри) або апаратним (аналогові фільтри) способом.

Однак є ще один різновид фільтрів – це акустичні фільтри, елементами яких є маса, пружність та геометрія фізичних об’єктів. Наприклад, акустичним фільтром є будь-яке приміщення. Так, у мебльованому приміщенні мова й музика звучать зовсім по-іншому, ніж у приміщенні з голими стінами. Інший приклад – акустичні глушники. Саме про такий різновид акустичних фільтрів, що заглушують звукові хвилі на певних частотах, і йде тут мова.

Вушні акустичні фільтри, що показано на рисунках, розроблені фірмою DUBS і призначені для захисту слухової системи людини від шуму аналогічно тому, як сонцезахисні окуляри захищають зорову систему від зайвого світла. Ці фільтри зовні нагадують систему Bluetooth, однак насправді вони не містять ніяких електронних елементів.

З огляду на конструкцію акустичних фільтрів DUBS, тут використано як розширювальні камери, так і резонатори Гельмгольца.

Аналізуючи частотну характеристику акустичних фільтрів DUBS (див. графік), бачимо, що ці фільтри дозволяють досить успішно придушувати як низькі частоти (на 6 дБ у діапазоні 100-400 Гц), так і середні й високі частоти (на 24 дБ у діапазоні 2-8 кгц).

В акустичних фільтрів DUBS є лише один істотний недолік – це ціна ($25).

Джерело: https://www.getdubs.com/

Систему автоматичного розпізнавання мовлення – власноруч

Сьогодні багато хто чув звістку про приголомшливі результати, котрих домоглася Microsoft в галузі автоматичного розпізнавання мовлення: “Розробники Microsoft навчили нейронні мережі розпізнавати людський голос так само добре, як і люди. У доповіді команди дослідників в області штучного інтелекту Speech & Dialog сказано, що система розпізнавання мовлення тепер помиляється так само рідко, як і професійні стенографісти. У деяких випадках система здатна робити менше помилок. Так, під час тестування, відсоток помилкових слів склав всього 5,9%.”

Виникає питання – а самостійно можна чогось досягти в цій справі? Питання актуальне з огляду на звикання населення до думки, що технологія “розумний дім” – це справа вже не завтрашнього дня, а сьогодення.

Відповідь на це запитання цілком позитивна: так, можна. Один із прикладів такої спроби знаходимо на сайті “Хабрахабр”, де розповідається про написання власних програм на мові програмування С++.

Проте можемо вказати й трохи на інший підхід до розв’язання цього ж завдання – використання бібліотеки програм HTK Toolkit. Цей підхід активно експлуатується українськими розробниками із Міжнародного науково-навчального центру інформаційних технологій (МННЦІТ) інституту кібернетики ім. М. Глушкова АН України. На одній із сторінок сайту цього центру ви знайдете 5 уроків, засвоївши які, ви здобудете потрібні навички. Переваги цього підходу полягають в тому, що вам достатньо оволодіти елементами управління файловим менеджером FAR, щоб в режимі командної строки запускати власноруч розроблені програми автоматичного розпізнавання мовлення.

Можливо, вам допоможе корисна інформація у вигляді перекладів окремих розділів книги HTK BOOK, розміщених на сайті А.Продеуса, виконаних ним та керованими ним студентами. Окремі (перші два розділи) переклади відредаговані при безпосередній участі В.Пилипенка, співробітника МННЦІТ, якому кафедра акустики та акустоелектроніки дуже вдячна за безкорисливу допомогу в засвоєнні засад такої непростої галузі як автоматичне розпізнавання мовлення.

Джерела: https://geektimes.ru/post/281652/

https://habrahabr.ru/post/150251/

http://speech.com.ua/index.html

http://speech.com.ua/htk_course.html

Шум, вібрації та космічні польоти

Перший китайський космонавт Ян Лівей розказав, що під час його польоту в космос із кораблем коїлося щось незрозуміле і загадкове. Нагадаємо, що Ян Лівей здійснив космічний політ на кораблі “Шеньчжоу-5”, який був виведений на орбіту навколо Землі ще 15 жовтня 2003 року. І під час цього польоту він чув незвичайні звуки. “Незвичайність ситуації, в яку я потрапив в космосі, полягала в дивному звуці, який виникав час від часу. Він йшов не зсередини корабля, здавалося, що хтось б’є по корпусу корабля, звук був схожий на удари дерев’яним молотком по залізному відру. Звук з’явився без будь-яких причин”, – розповів космонавт в ефірі державного телебачення. Ян Лівей додав, що звук досить нервував його в польоті, він присунувся до ілюмінатора, щоб зрозуміти причину, але нічого незвичайного не виявив.

Одним з найважливіших факторів, що впливають на організм людини в космічному польоті, є шум і вібрація. Конструктори перших китайських космічних кораблів свідчать: на підготовку корабля «Шеньчжоу-7» знадобилося три роки після польоту «Шеньчжоу-6», аби вирішити низку проблем, серед яких – надмірні шум й вібрації під час старту, що доставляли колишнім екіпажам “чимало занепокоєння”. Що означає це “чимале занепокоєння”, можна не тільки здогадуватися – на сьогодні практика космічних польотів дозволяє чітко тлумачити туманні висловлювання китайської преси.

Вібрація й шум зв’язані головним чином з фазами запуску двигунів космічного корабля або їхньої роботи під час польоту. Їхніми джерелами є робота ракетних двигунів, їхній струс, переміщення палива в цистернах-баках, атмосферні потоки й турбулентність атмосфери, а також аеродинамічний удар при подоланні космічним кораблем звукового бар’єра.

Шум і вібрація викликають відчуття дискомфорту, роздратування, нудоту й інші неприємні відчуття. Характерна поява почуття тривоги й страху, задухи, болю в області живота й хребта, загального стомлення, утрудненого подиху, головного болю, сверблячки й глухоти. Порушується нормальне протікання процесів як в окремих клітках, так і в органах у цілому.

Шкідлива дія вібрацій пояснюється тим, що людське тіло і його окремі органи мають власні резонансні частоти, що лежать у тім же діапазоні, що й частоти ракетоносіїв. Так, космічний корабель «Аполон» з ракетоносієм «Сатурн-5», в залежності від фази польоту, має основні резонансні частоти в діапазоні 4,5-9 Гц. А резонансні частоті тіла людини знаходяться у діапазоні 3-12 Гц. Коли космічний корабель вібрує на якій-небудь із цих частот, вібрація відповідних органів людини резонансно збільшується, ці органи деформуються, зміщуються і можуть механічно ушкодитися.

У космонавтів при сильних вібраціях не тільки виникає відчуття дискомфорту. Пілоти космічного корабля «Джеміні» при частоті коливань 50 Гц навіть не могли зчитувати показання приладів, оскільки саме при цій частоті починають вібрувати очні яблука й очі немов застеляє завісою.

Про колосальні рівні шумів, що генеруються великими космічними ракетами, можна судити за такими цифрами. Ракета «Сатурн-5» протягом 2 хвилин генерує майже 200 млн Вт звукової енергії – це 0,3-0,8% загальної потужності ракети й у чотири тисячі разів гучніше за ревіння двигунів реактивного літака «Боїнг-707».

Щодо шкідливості шуму, то шум в 160 дБ може викликати механічні ушкодження й необоротну глухоту в результаті розриву барабанної перетинки й зсуву слухових кісточок у середнім вусі. При 140 дБ людина відчуває сильний біль, а тривалий вплив шуму в 90-120 дБ може привести до ушкодження слухового нерва. Шум із рівнем більше 60 дБ викликає гальмування нормальних скорочень шлунку й кишківника, зменшує виділення шлункового соку й слини.

У пілотованому космічному кораблі сильні шуми шкодять не тільки тому, що негативно впливають на організм космонавта. При рівні шуму 120 дБ наступають серйозні погіршення в мовленнєвому зв’язку й радіозв’язку. Експерименти показують, що мовлення космонавта стає значно менш розбірливим, якщо до вібрації в діапазоні 10-30 Гц додаються хаотичні шуми. Тому при створенні космічного корабля «Аполон» прагнули знизити шуми настільки, щоб максимальний рівень шуму після закінчення фази польоту з виключеними двигунами не перевищував 55 дБ у діапазоні частот 300-3800 Гц.

Джерела: http://www.gctc.ru/main.php?id=940#3.1
https://forums.eagle.ru/showthread.php?t=17012&page=33

Музика на службі медиків та психологів

Будь-яка музика впливає на організм людини. Однак особливий ефект справляють твори Моцарта. Численні дослідження показали величезний вплив музики цього композитора на інтелектуальну активність. А програвання музики Моцарта в місцях скупчення людей (вулиці, площі, метро й т.п.) різко знижує рівень злочинності. Цей феномен до кінця не вивчено, але він вже одержав назву «Ефект Моцарта».

У Франції благотворну дію музики використовують у своїй клінічній практиці лікарі різних спеціальностей. В одному з паризьких госпіталів діти можуть слухати різну музику й навіть грати на музичних інструментах при підготовці до операції. Гармонічні й заспокійливі звуки підвищують ефективність анестезії, а після операції допомагають дітям швидше відновитися.

Півгодини класичної музики щоденно є обов’язковим правилом, – за законом штату Флорида №660, – для всіх дітей у штаті Флорида. Мета даного закону – поліпшення режиму сну в малят, стимулювання гармонічного розвитку їхнього мозку.

Разом з тим, помічено, що деякі види музики знижують інтелектуальну активність, й навіть спонукають до насильства. В одному з експериментів студентам пропонувалося запам’ятати 20 чисел у спокійній тихій обстановці. Потім піддослідні протягом деякого часу слухали «попсову» музику із простими словами, що легко запам’ятовуються. При повторі експерименту виявилося, що мозкова активність студентів значно знизилася, а окремі піддослідні прийшли в себе лише через годину. Відомий також ряд випадків, коли після музичних концертів підлітки виходили на вулиці й трощили все, що падало їм під руку.

Цікавий експеримент було проведено у місті Ньюкасл, Англія. Ді-Джеї більшості радіостанцій замінили рок-музику у своїх плейлистах на композиції в жанрі бароко. Через якийсь час випадки вандалізму і нападів впали вдвічі! З тих пір у цьому місті використовують повільну музику для поліпшення не тільки кримінальної, але й медичної статистики.

Наприкінці згадаємо дослідження вченого Роберта Монро, котрі показали, що при прослуховуванні певних мелодій людина здатна відчувати “фантомні” коливання. Наприклад, якщо одне вухо чує звук частотою 150 Гц, а інше – 157 Гц, тоді в мозку утвориться «фантомний» звук з різницевою частотою коливань 7 Гц. Такий фантомний звук допомагає поліпшити функціонування мозку. Але при цьому не варто забувати, що не всі такі фантомні частоти корисні для нашого мозку. Наприклад, часте прослуховування однотипної техно-музики може привести до падіння швидкості реакції, знизити інтелектуальні здібності.

Джерела: http:// novosti-n.org/ukraine/read/92321.html
http:// kak-bog.ru/ muzyki-na-cheloveka

Незвичайні гучномовці

В 2008 році китайські вчені під керівництвом Кайлуй Цзяна (Kaili Jiang) у журналі Nano Letters опублікували статтю «Flexible, Stretchable, Transparent Carbon Nanotube Thin Film Loudspeakers». Вони описали й продемонстрували термоакустичну плівку, виготовлену на основі нановуглецевих трубок. Такі трубки є різновидом графену, нового матеріалу, винайденого лише нещодавно, за що його автори,  А.К. Гейм та К.С. Новосьолов, одержали в 2010 році Нобелівську премію. Непримітна прозора пластинка товщиною з людське волосся під мікроскопом схожа на густий ліс. Паралельно один одному на кремнієвій «землі» ростуть вуглецеві «дерева». Цей «ліс» працює як наймогутніший гучномовець. Причому плівку не потрібно натягати на каркас динаміка й можна згинати.

Секрет потужного динаміка полягає в тому, що передача звукового сигналу відбувається не за рахунок вібрації плівки, а за принципово іншим механізмом. Гучномовець із нановолокон звучить завдяки термоакустичному ефекту, що виникає через коливання температури. Заправляє всім процесом електричний струм: кожний імпульс підігріває нанотрубочку, і вона передає тепло в навколишнє середовище. Нагріте повітря й створює звукову хвилю.

Описаний ефект вперше передбачили Арнольд (Arnold H.D.) і Крендал (Crandall I.B.) в 1917 році. Вони описали фізичні параметри, які повинен мати термоакустичний матеріал, і вивели формулу звукового тиску. Але на той час нановуглецеві трубки просто ще були невідомі.

Для роботи високотехнологічного динаміка потрібні лише електроди. Відповідно, і динаміки можна використовувати так, як заманеться: покласти на стіл, повісити на стелю або обернути їм ноутбук. Можна створити співаючі штори, пелюшки й прапорці. Втім, такі «викрутаси» придатні не тільки для розваг, але й для цілком цільового використання. Наприклад, для рівномірного звучання музики зовсім не обов’язково розставляти колонки по периметру зали. Досить повісити одну термоакустичну сферу в центрі (замість люстри, наприклад).

А вчені з Техаського університету в Даласі (University of Texas at Dallas) придумали, як використовувати термоакустик для державної безпеки. За словами дослідників, якщо в такий матеріал «повити» субмарину, то вона стане невидимою для ворожих радарів.

Джерела: http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/nl802750z
http://www.dailytechinfo.org/nanotech/8477-primenenie-grafena-pozvolilo-sozdat-absolyutno-ploskie-dinamiki-dlya-portativnyh-audiosistem.html

Акустична гармата – LRAD

Рано вранці 5-го листопада в суботу далекого 2005-го року пасажири круїзного лайнера “Сіборн Спіріт” прокинулись під шум пострілів. Корабель проходив за 160 км від узберіжжя Сомалі. На лайнер напали пірати. Нападники обстріляли судно й готувались йти на абордаж, коли з лайнера відповіли залпом з акустичної гармати. Спантеличені пірати покидали зброю і затулили вуха, намагаючись знайти порятунок від невідомо звідки виниклого жахливого болю. Таким чином екіпажу та пасажирам лайнеру вдалося врятуватися. Після цього інциденту світові торгівельні компанії буквально засипали американського виробника акустичної зброї замовленнями. Так акустична гармата пройшла бойове хрещення і довела свою дієвість.

Під час війни в Іраку система LRAD використовувалася американцями як засіб стримування, оскільки солдатам часто доводилося мати справу з розгніваними юрбами людей. Випробовувалася акустична гармата й при розгоні демонстрантів у Тбілісі в 2007 році. В наш час американська поліція використовує такі гармати для приборкання учасників надмірно галасливих вечірок та гулянок, котрих іншим шляхом вгамувати не вдається…

Зброя, котру було розроблено у 2000-му році “American Technology Corporation”, отримала назву “LRAD” – “Long Range Acoustic Device”, тобто “Акустичний пристрій дальньої дії”. Спершу гармата призначалася для кораблів, оскільки у відкритому морі майже немає перепон, що відбивали б акустичні хвилі назад – це становило небезпеку для команди корабля. Проте із часом сферу застосування акустичних гармат було розповсюджено на сушу й навіть на міські квартали, оскільки поліція або військові мали змогу захистити свої вуха тим чи іншим шляхом, тоді як натовп бунтівників був до того не готовий.

Зрештою, LRAD може використовуватися й в мирних цілях, наприклад, слугуючи потужним мегафоном для передачі повідомлень на відстані у сотні й навіть тисячі метрів, що дуже важливо в зонах ураження лихом.

Кілька слів про фізіологічну дію акустичної гармати. На відстані в один метр установка може розвивати звуковий тиск в 162 дБ. Для прикладу, звук пожежної сирени становить лише 80-90 дБ. Беручи до уваги, що больовий поріг людини становить 120-130 дБ, така зброя може як руйнувати барабанні перетинки, так і завдавати пошкоджень внутрішнім органам людини. Якщо спеціальним чином модулювати звук, що випромінюється, можна здійснювати вплив і на психіку людини, котра відчує немотивований страх й кинеться тікати. Людина, яка стоятиме поза межами звукового променя, також відчуватиме дію звуку, але вона є значно меншою. До того ж, оператори установок використовують ще й засоби захисту власного слуху.

Щодо принципу дії акустичної гармати, на перший погляд, будова установки є нехитрою: замість одного надпотужного випромінюючого елемента застосовують велику кількість маленьких п’єзоелектричних випромінювачів, що дозволяє одержати на виході LRAD гостроспрямований звуковий промінь. Однак ця простота є оманливою. Досить сказати, що розробка системи LRAD тривала 8 років і коштувала 40 млн. доларів. Що стосується масогабаритних показників, гармата LRAD є пристроєм досить компактним й має вагу 20 кг при діаметрі випромінюючого диска 83 см.

Сьогодні винахіднику акустичної гармати Вуді Норрісу (Woody Norris) виповнилося 78 років. Коли запитують про його девіз, він любить відповідати: “Немає нічого такого, що не можна було б поліпшити”.

Джерела: https://lenta.ru/news/2005/11/08/sonic/
https://www.lradx.com/
http://science.howstuffworks.com/lrad.htm/printable
http://www.defense-update.com/products/l/LRAD.htm

Акустичне моделювання чорних дір

Чорна діра насправді не діра. Це масивний об’єкт, який має таку величезну силу тяжіння, що навіть світло не здатне вирватися за його межі.

Такий собі космічний об’єкт, що всмоктує все, до чого дотягнеться своїми гравітаційними пазурами. Межу, до котрої дотягуються ці пазурі, звуть «горизонтом подій». Тобто, все що перетне горизонт подій, вже ніколи не вирветься за його межі. Отож, можна стверджувати, що чорна діра – величезний галактичний споживач, вона все всмоктує і нічого не випромінює.

Проте це не так.

Ще понад сорок років тому американський учений Стівен Гокінг заявив, що чорні діри таки випромінюють. Як стверджував науковець, на квантовому рівні, де панує хаос та випадковість, безперервно створюються пари частинка-античастинка. Це явище відбувається постійно, але ми нічого не помічаємо, бо вони швидко колапсують і взаємознищуються. Та коло чорної діри все куди цікавіше: якщо така пара утвориться чітко на межі горизонту подій, то одна частинка буде всмоктана дірою, а інша матиме шанс «утекти» і стане учасницею випромінення, що згодом отримало назву «випромінення Гокінга». Оскільки ми не можемо взяти чорну діру й напряму провести експеримент, питання з випроміненням Гокінга лишається відкритим.

Але що заважає змоделювати все на Землі?

Чорні діри схожі на стоки, в якому зникає простір, прямо як вода у зливному отворі. Простір неначе потік, і чим ближче до чорної діри, тим більша його швидкість. За межами горизонту подій простір втягується так швидко, що навіть світло не може його «перегнати».

На основі цієї інтерпретації ще у 2008-му міжнародна група вчених на чолі з професором Ульфом Ленгардом (Ulf Leonhardt) відтворили чорну діру за допомогою 30-метрового водного каналу, потужної помпи та генератора хвиль. Появу античастинок вчені зафіксувати не змогли, зате «антихвилі» – вдалося. На отриманих відеозаписах команді вдалося віднайти сліди «антихвиль», створених на «водяному горизонту подій». Даний дослід не був повністю узгоджений із теорією. Ще багато роботи слід провести. Але основу було закладено.

Пізніше, у 2009-му інша група вчених в Ізраїлі під керівництвом Джеффа Стейнхаєра (Jeff Steinhauer) створили першу модель акустичної чорної діри. За основу взяли конденсат Бозе-Айнштайна. Дослідники охолодили близько 100 000 атомів рубідію до температури, яка більша за абсолютний нуль на якісь мільярдні долі градуса, і помістили все це у магнітне поле. Потім за допомогою лазеру вони змусили атоми рухатися в одну точку зі швидкістю, яка перевищує швидкість звуку в середовищі. Тривало це явище всього 8 мілісекунд. Зате маємо результат: потік (або пак акустична чорна діра), що «всмоктує» звук.

У 2014-му році Стейнхаєр удосконалив експеримент. В журналі «Nature physics» вчений  опублікував статтю, в якій стверджував, що йому вдалося зафіксувати випромінення Гокінга для акустичної моделі чорної діри.

«Я б не сказав, що ці дані все доводять… але це може бути дуже близько до цього», стримано прокоментував дослід Стейнхаєра Вільям Урух із Університету Британської Колумбії, що в Канаді.

Торік на сторінках все того ж «Nature physics» все той же Джеф Стайнхаєр опублікував статтю «Спостереження квантового випромінення Гокінга і квантових заплутаностей у штучній чорній дірі».

Джерела: 

1. Про чорну діру на воді: https://phys.org/news/2008-05-black-holes.html
2. Про першу акустичну чорну діру:  https://www.newscientist.com/article/dn17319-physicists-create-black-hole-for-sound
3. Заявка Стенхаєра про фіксацію випромінення Гокінга: Nature Physics 10, 864–869 (2014). DOI: 10.1038/nphys 3104
4. Про експеримент Стенхаєра у 2014-му році: https://www.newscientist.com/article/dn26366-desktop-sonic-black-hole-emits-hawking-radiation#.VDyj5FdaYeh
5. Стаття Стейнхаєра за літо 2016-го: Nature Physics 12, 959–965 (2016). DOI:10.1038/nphys3863

Звукоізоляція у «гвинтокрилі майбутнього»

На виставці Heli-Expo 2017 американська компанія Bell Helicopter продемонструвала прототип гвинтокрила, котрий буде слугувати «дорожньою картою для майбутнього гвинтокрилої техніки».

Інтер’єр нових гвинтокрилів буде виконано із звуконепроникних матеріалів, тому пасажири зможуть розмовляти один з одним без навушників та мікрофонів, а з пілотом спілкуватися через спеціальне скло як в таксі та лімузинах.

В кабіні пілот керує гвинтокрилом з допомогою шлема віртуальної реальності та помахами руками у повітрі. Ніяких рукояток або штурвалу в кабині не передбачено. У пасажирів також будуть системи віртуальної реальності, за допомогою яких вони зможуть подивитися кіно під час польоту, або ж навпаки просто прибрати кабіну навколо себе, відкривши приголомшливий вид на небо і землю внизу.

Джерело: http://hyser.com.ua/tehnology/amerikantsy-pokazali-vertolet-budushhego-174268

Акустичні дзеркала Великобританії та електронні вуха Америки й України

Попередники радіолокації, акустичні дзеркала були побудовані на півдні та північно-східному узбережжі Англії між 1916 і 1930 роками. Такі “штучні вуха” являли собою здебільшого бетонні або металеві параболічні відбивачі, що мали на меті забезпечити раннє попередження про напад на прибережні міста літаків та дирижаблів супротивника. З розвитком авіації, із появою більш швидких повітряних апаратів, акустичні дзеркала ставали все менш корисними. А із винаходом радару взагалі стали застарілими.

Маловідомо, що досі існує ціла низка акустичних дзеркал різних конструкцій. Нижче наводимо посилання на веб-сторінки, де ви знайдете фотографії дзеркал, що збереглися, та інформацію про те, де вони знаходяться (на випадок, якщо ви захочете їх відвідати).

На південно-східному узберіжжі Великобританії побудовані такі звукові дзеркала:

• Kilnsea, East Yorkshire
• Boulby, North Yorkshire
• Redcar 
• Hartlepool (?) (зруйнований)
• Seaham 
• Sunderland 

Дзеркала також були побудовані на південному узбережжі:

• Abbot’s Cliff, east of Folkestone, Kent
• Denge, Dungeness, Kent
• Hythe, Kent
• East of Dover, Kent
• Joss Gap, Kent
• Selsey, West Sussex
• Warden Point, Isle of Sheppey, Kent

Зазначимо однак, що є і сучасні дзеркала, які працюють за подібним принципом. Вони були побудовані для мистецтва, освіти та розваг. Ось деякі приклади:

• A modern sound mirror next to the Royal Military Canal in Kent
• Kew, London
• Sonic Marshmallows, Essex

На цьому фото – акустичні дзеркала Sonic Marshmallows, Essex, розташовані на відстані 60 м. Вони дозволяють чути шепіт людей, що спілкуються.

Не слід думати. що акустичні локатори відійшли в далеке минуле – сьогодні вони являють собою досить складні системи мікрофонів та системи обробки сигналів, застосовуються військовими зокрема для виявлення снайперів. Фото однієї із таких мікрофонних антен наведено нижче.

Наведене фото взято нами із сайту “Анти-снайпер”, до докладно розповідається, як американські організації DARPA та BBN Technologies розробили таку систему, що одержала назву “Бумеранг”.

Зазначимо, що й студенти нашої кафедри акустики та акустоелектроніки спробували зробити макет такої системи – деяку інформацію ви знайдете на нашому сайті, на сторінці “Лабораторії АЕК”.

Джерела: http://www.andrewgrantham.co.uk/soundmirrors/ ,
https://www.istorya.net/forums/general-discussions-10/379606-boomerang-gunfire-locator.html