Многошумное будущее

Что ожидает нас в будущем в мире, полном шумов? Принесет оно тишину или еще больше шума? Какими новыми способами можно будет бороться с шумом?

Мы всегда должны помнить, что тишина стоит денег. Это значит, что ни один изготовитель механизмов, автомашин или самолетных двигателей не займется снижением шума просто из соображений филантропии.

Даже сейчас те шаги, которые сделаны на пути конструирования более тихих турбовентиляторных двигателей, не улучшают автоматически условий жизни людей на земле. Дайте оператору авиалинии менее шумный самолет, и он немедленно прикажет летчикам давать полный газ сразу после взлета, если ему удастся удержаться в пределах норм, ограничивающих уровень шума вблизи аэропорта.

Изготовитель механизмов попытается снизить шумность своей продукции лишь в том случае, если его вынудит к этому закон либо если потребитель предпочтет более тихие механизмы и выберет конкурирующую продукцию, потому что она создает меньший уровень шума. Но и покупатель не станет платить лишнее за менее шумящий механизм, если на то не будет серьезной причины. Такие серьезные причины существуют, но их надо выставить на всеобщее обозрение. И даже тогда потребуются законодательные меры, прежде чем что-то сдвинется с места.

В действительности основная проблема — отсутствие сведений. Воздействие шума понимают не в полной мере, и некоторые отказываются верить, что шум может как-то повредить их слуху. Быть может, еще более существенно то, что конструкторы, за малыми, но важными исключениями, если и располагают кое-какими сведениями по акустике, то в своей работе просто забывают о них. В каждом из примеров, которые мы привели в предыдущей главе, необходимость акустической обработки была понята с опозданием, потому что никто не отдавал себе отчета в том, что данное устройство создаст проблему шума. На стенке каждого конструкторского бюро следовало бы вывесить плакат с надписью: «Как будут обстоять дела с шумом?» Приглашение специалиста-акустика для ознакомления с чертежами обойдется всего в несколько фунтов стерлингов, но это окупится сторицей, если выпускаемый продукт будет производить меньше шума. Ведь намного дешевле предусмотреть снижение шума в исходном проекте, чем приняться за дело и штопать дырки, когда уже поздно что-либо поправить.

Акустика не слишком трудная дисциплина; раз и навсегда усвоив основные понятия, можно сделать очень многое, руководствуясь просто здравым смыслом. Теперь уже есть немало искусных и опытных специалистов, как в университетах, так и в консультативных бюро, которые охотно примут участие в работе конструкторов. Появилось множество производителей акустического оборудования и акустических материалов, предлагающих не только превосходную продукцию, но и свой большой опыт. Спрос на продукцию все больше зависит от ее шумовых свойств. Слово «шум» все чаще появляется в рекламах автомашин, и от изготовителей машин теперь наряду с другими техническими показателями требуют данных об уровне шума.

Чего следует ожидать от технического прогресса? Что можно сказать о шуме механизмов будущего? Шум самолетов лишь немного уменьшится по сравнению с шумом трехмоторных реактивных самолетов нового поколения, потому что уже сейчас шум двигателей лишь незначительно превосходит шум обтекания корпуса самолета. Однако условия вблизи аэропортов будут значительно улучшаться по мере вытеснения сильно шумящих самолетов старого типа. Если когда-либо в небе появятся самолеты с вертикальным взлетом, картина распределения шума вокруг аэропорта изменится кардинально: шум в непосредственной близости возрастет, но, поскольку самолет будет достигать большой высоты на меньшей дистанции жители, удаленные от аэропорта на средние расстояния, окажутся в выигрыше. Те же, кто проживает далеко от аэропорта, вероятно, не заметят существенной разницы.

Существует серьезная опасность значительного увеличения шума дизельных двигателей; это вызвано усовершенствованием литейного производства, позволяющим уменьшать толщину отливки в местах, испытывающих малые напряжения. Уменьшение толщины стенок картера до 5 мм приводит к непропорционально большому росту излучения шума. Существенная часть необходимых исследований по шуму двигателей уже выполнена, и давно шум выхлопа можно заглушить вполне удовлетворительно. Дело только в стоимости мероприятий; но пока либо потребитель, либо закон не заставят изготовителей принимать меры по снижению шума, для них было бы самоубийством удорожать продукцию, если сбыт не зависит от того, насколько заглушены механизмы.

Во всех отраслях промышленности наблюдается стремление облегчить конструкции. А это означает не только меньшую массу, но и меньшую звукоизоляцию, многослойные же перегородки легкого веса дороги. Необходимо до конца усвоить, что теплоизоляция и звукоизоляция — разные вещи. В строительной промышленности исследования ведутся непрерывно, и в этой области нет недостатка в знании дела. Скоро можно будет прямо получать «упакованную звукоизоляцию» для дома, как сейчас получают установки центрального отопления; цена возрастет процентов на 10. Сюда войдут двери с уплотнением, двойные рамы для окон, обеспечивающие не только тепло-, но и звукоизоляцию, заглушённая вентиляционная система, звукоизолирующая крыша и, может быть, звукопоглощающие потолки в помещениях. В местах, где нежелательна тяжелая каменная кладка, могут быть применены двух- или трехслойные тонкие перегородки с упругой подвеской.

Безусловно, в некоторых областях в результате применения новых материалов можно ожидать улучшения. Пластмассы обладают значительно большим внутренним поглощением, чем сталь; уже упоминалось о возможности использования углеродных нитей в лопастях компрессоров самолетных двигателей. Будет появляться все больше автомашин с пластмассовыми корпусами, которые до сих пор не получили еще широкого распространения частично из-за того, что в металлообрабатывающую промышленность вложены огромные капиталы. Конечно, пластмасса обладает меньшей массой, чем сталь, и, если нанести на стальной лист демпфирующий слой, получится хороший звукоизолятор. Однако в автомашинах единственное место, где изоляция звука важнее, чем его поглощение, — это перегородка салона. Будет вполне возможно применять либо нагруженный пластмассовый листовой материал, как это делают для некоторых автомашин высшего класса, либо нагружать пластмассовую перегородку только в ответственных местах. Главной проблемой останется недостаточная изоляция пластмассового корпуса по отношению к внешнему шуму: водителю придется несладко, когда он окажется в сплошном потоке тяжелых дизельных грузовиков, ревущих на него со всех сторон.

Вероятно, крупнейшее изменение в господствующий ныне акустический климат внесет переход на другие первичные двигатели. Дни поршневого двигателя внутреннего сгорания сочтены, даже если конец ему придет еще не скоро. Когда электрический способ продвижения укрепится по-настоящему, он принесет с собой наибольшее снижение шума, не говоря уже о снижении других видов загрязнения окружающей среды. В настоящее время все зависит от тех, кто разрабатывает аккумуляторы: электромобили не смогут привлечь к себе внимание, пока не станет возможным проехать без перезарядки не менее 60 км со скоростью свыше 70 км/час. Уже сейчас этого было бы вполне достаточно для внутригородского транспорта. Если исключить транзитный транспорт, это позволило бы изгнать двигатель внутреннего сгорания из центральных частей города, не считая, конечно, случаев перевозки особо тяжелых грузов в город или из него.

Какими приятными стали бы города, если бы шума там было мало, выхлопных газов не было бы совсем и для всех хватало бы мест на стоянках. Электромобили не вполне бесшумны, гудение электромотора и шум передачи останутся, но с ними можно будет справиться, если конструкторы внесут в свои проекты хоть малую толику акустических знаний.

Другой вид первичного двигателя — газовая турбина. Пока этот двигатель имеет некоторые технические недостатки, но их, несомненно, удастся устранить. Газовая турбина создает, быть может, не меньше шума, чем обычный двигатель внутреннего сгорания, но с ее шумом легче справиться. Реактивной струи здесь нет, отсутствуют также все низкочастотные пульсации, вибрации и глухие удары, характерные для дизельных двигателей. С высокочастотным шумом газовой турбины бороться гораздо легче. Почти все методы снижения шума весьма малоэффективны на низких частотах.

Что касается воздушного транспорта, то еще весьма нескоро мы увидим (а лучше сказать — услышим) что-нибудь отличное от той или другой модификации турбовентиляторного двигателя. Как только пытаешься думать о следующем поколении авиационных двигателей, попадаешь прямо в область научной фантастики. Мне известна группа людей, деятельно работающих над тем, что они называют «антигравитационным устройством», но если им что-нибудь удастся сделать, то это будет нечто выходящее за пределы современной физики. Было бы соблазнительно суметь «выпрямить» переменную силу, создаваемую парой вращающихся в противоположном направлении эксцентричных тел, — безразлично, будь то куски свинца или электроны. Есть малоэффективный способ осуществить такое движение: нужно поместить вращающееся тело в какое-либо средство передвижения, которое бы легче перемещалось вперед, чем назад. Но как применить эту идею для полета в воздухе или в космическом пространстве — не могу придумать! Конечно, наука еще не сказала своего последнего слова; может быть, мы увидим и антигравитационные устройства, и, если они будут достаточно тихими (какой удар, если устройства окажутся шумящими!), одна из важнейших проблем снижения шума будет решена. У меня лично на это мало надежды...

Несколько ближе к реальности, хотя явно не пригодно ни для каких целей, кроме межпланетных путешествий, это решение проблемы продвижения при помощи электрической реактивной машины. Современная авиация и межпланетные корабли используют реакцию, возникающую при ускорении массы. В реактивных самолетах ускоряют смесь воздуха с продуктами сгорания топлива, в космических аппаратах, работающих в безвоздушном пространстве, — только горячие газы. Электрическая реактивная машина должна ускорять и отбрасывать от себя электроны о их ничтожной массой, и здесь можно ожидать реакции, не превышающей по мощности сильного рукопожатия.

Разумеется, для космических целей долговечность двигателя важнее его мощности; после нескольких лет движения с малым ускорением в вакууме можно разогнаться до большей скорости, чем после нескольких часов бешеного горения. Но ничтожная мощность делает такие двигатели совершенно непригодными для воздушного или наземного транспорта. Нет шансов, чтобы журналы для автолюбителей стали рекламировать устройства, которые набирают скорость от нуля до 100 км/ч за время, равное примерно 120 000 с!

Новинкой в области первичных двигателей явилось бы устройство, которое использовало бы энергию сжатых и растянутых твердых тел вместо энергии сжатых газов в обычных двигателях. Поршневой двигатель, построенный на этом принципе, был бы гораздо тише, чем газовый. Во-первых, его скорость была бы настолько мала, что шум, появляющийся вместо шума сгорания топлива в обычных двигателях, лежал бы в неслышимой области, а излучение его было бы также очень мало. Если к этому добавить еще магнитные подшипники, разработка которых находится еще в самой начальной стадии, такая машина заслужила бы название «бесшумный двигатель». А устройства типа магнитных подшипников можно было бы с пользой применить и на существующих двигателях, и уж, конечно, акустика не единственная область, заинтересованная в них.

Несомненно, появятся новые дешевые материалы, удовлетворяющие самым высоким акустическим требованиям и удобные для практических применений. Высокопоглощающие, податливые и многослойные материалы находят широкое применение; увеличение удельного поглощения позволит в большой степени сохранить конструктивно важную жесткость. Типичный пример — сильно задемпфированный стальной лист, покрытый слоем на основе смолы, армированным в свою очередь тонким стальным листом, что создает при вибрациях большое поглощение. Ранее в этой книге говорилось, что изготовление такого материала связано с некоторыми трудностями, но они в конечном счете будут преодолены. Разумеется, такой задемпфированный лист всегда будет много дороже обыкновенного стального листа. Все это, конечно, не произведет переворота в данной области.

Есть, однако, еще один путь, до сих пор еще практически не испытанный. Все, о чем мы говорили, наводит на мысль, что борьба с шумом — весьма пассивное занятие. Мы обычно рассчитываем на использование реакции массы или реакций другого типа (термин «реакция» следует понимать в физическом, а не в химическом смысле слова). Падающая волна либо сама доставляет энергию, необходимую для того, чтобы загородить себе путь, либо использует для этой цели что-нибудь столь простое, как инерция.

Если действительно будет сделан решающий шаг в направлении борьбы с шумом, то уж, вероятно, путем создания искусственной реакции по отношению к звуковым волнам. Существуют два-три способа, которыми эта задача может быть решена, и кое-какие эксперименты, правда в малом масштабе, уже выполнены. Первая возможность весьма привлекательна: она заключается в создании «антизвука», который уничтожит звук в результате деструктивной интерференции с ним.

Антивещество состоит из атомов, частицы которых имеют заряд противоположного знака по отношению к частицам обычного вещества и сами по себе не отличимы от последних. Только при встрече этих частиц друг с другом происходит их взаимное уничтожение, или аннигиляция. Колебания давления в антизвуке противоположны по знаку колебаниям давления в звуке. В отдельности антизвук не будет отличен от звука, но при встрече они уничтожат друг друга.

Все это звучит замечательно, но здесь есть подвох. Легко излучить антизвук, просто принимая звук при помощи микрофона и воспроизводя его с обратным знаком. Но создать антизвук с той же пространственной формой волны, что и звук, так чтобы равные колебания давления противоположного знака создавались в нужных местах и в нужные моменты времени,— вот это почти невозможно. Возьмем простой сферический источник звука, например пульсирующий баллон из гл. 2. Для того чтобы воспроизвести идентичный сферический волновой фронт антизвука, который уничтожил бы звук, создаваемый баллоном, потребуется расположить источник антизвука в самом центре баллона. Это как раз можно было бы осуществить, но пульсирующие ли баллоны заставляют нас проводить мучительную ночь без сна? А если взять вместо баллона более сложное устройство, излучающая поверхность для антизвука должна будет иметь ту же форму и занимать то же место, что и сама шумящая машина[30].

Можно добиться частичного успеха, если, оставив попытки уничтожить звук, излучаемый во всех направлениях от источника, удовольствоваться созданием хотя бы небольшой полоски тишины. Это происходит и без активного вмешательства, когда в результате интерференции между падающей и отраженной волнами образуется стоячая волна (см. рис. 6). В этом случае отраженная волна играет роль антизвука для волны простой формы, и в ряде точек эти волны гасят друг друга, так что в таких точках звука совсем или почти нет. К сожалению, это точки в буквальном смысле слова, и, даже если поместить ухо точно в такую точку, звук будет слышен из ее окрестности. Весь эффект, кроме того, будет испорчен тем, что другое ухо окажется вне тихого места, за исключением случаев простых тонов, длина волны которых подобрана так, чтобы можно было одновременно попасть одним ухом в одну, а вторым — в другую тихую точку. Имея в виду, что снижение уровня звука на 20 дБ соответствует уменьшению звукового давления на 90 %, заключаем, что для получения удовлетвори» тельного эффекта взаимное погашение волн должно быть почти полным.

Создавая фронт антизвуковой волны, ближе подходящий по форме к фронту исходного звука, можно значительно расширить области тишины. При взаимодействии падающего и отраженного звуков область тишины мала, потому что при сферической падающей волне и плоской отражающей поверхности фронты искривлены в противоположных направлениях и поэтому наиболее резко отличаются друг от друга. Кроме того, эффект гашения вообще заметен только для гармонического звука. При искусственном создании антизвука и более близком воспроизведении фронта исходной волны можно значительно увеличить области тишины, а искусственное создание антизвука устраняет необходимость ограничиваться только гармоническими волнами. Синтезировать можно волны с любой временной зависимостью, а при необходимости для получения желательного соотношения фаз можно включить в устройство генерации антизвука линии задержки.

Один из способов внесения искусственной реакции может найти применение в звукоизолирующих перегородках. Построив перегородку и выяснив виды ее колебаний на различных частотах, можно установить в пучностях (то есть точках наибольшего смещения) электромагнитные вибраторы. К сожалению, их потребуется множество и для каждой частоты их расположение должно быть другим. Затем при помощи сетки микрофонов, помещенных на небольшом расстоянии перед панелью и «разведывающих» форму волны, приближающейся к стенке, можно передать сведения о фронте волны в устройство задержки времени и далее в вибраторы, так чтобы создать в панели напряжения, равные по величине и противоположные по знаку тем, которые создаст падающая на панель звуковая волна. Разумеется, применимость этого метода весьма ограничена хотя бы вследствие его большой сложности и высокой стоимости электронного оборудования. Потребуется немалая исследовательская работа даже для того, чтобы создать лабораторную модель такого устройства. Достаточно упомянуть, что панель и вибраторы придется установить на необычно жесткой раме, чтобы эффективность устройства не лимитировалась такими факторами, как масса вибраторов, а это имеет смысл только для высоких частот. На высоких частотах и при наклонном падении волны на панели одновременно будет возбуждаться несколько стоячих волн, что частично позволит преодолеть последнюю проблему, но потребует значительно большего числа вибраторов. Надежды на такое решение вопроса возникнут лишь с появлением достаточно простого электронного оборудования, да и тогда расходы на подобную установку редко смогут быть оправданы.

Однако электронику уже применяют с успехом для улучшения акустических свойств концертных залов. Так, если при проектировании помещения оказывается трудно получить достаточно большое время реверберации, то применяют систему «искусственной реверберации». В принципе это достигается путем электрического воспроизведения звука на выбранных частотах при помощи громкоговорителей, размещенных в существенных для эффекта точках помещения, но эффект оказывается совершенно отличным от действия простой системы усиления звука. В другом варианте используется устройство, обеспечивающее временную задержку, и исходный звук многократно повторяется со все уменьшающейся амплитудой, имитируя эффект отражений от стен помещения. Последний способ оказывается полезным для малых студий звукозаписи с сильно заглушёнными стенами, в случаях когда желательно воспроизвести эффект большого зала или другого подобного помещения.

Проблема искусственной реакции и антизвука представила бы несколько меньше трудностей в таких областях, как глушение звука выхлопа: размеры «волновода» в этом случае настолько малы, что приходится иметь дело только с плоской волной, и поэтому заботы о форме фронта волны снимаются. В этом случае проблемы связаны скорее с температурой, коррозией и вообще с тяжелыми условиями работы с тонкой аппаратурой. Стоимость снова будет устрашающей, а обычные глушители и так работают неплохо.

Когда я выступаю с лекциями, мне часто задают вопрос, почему никто не использует в качестве изолятора для звука вакуум: на уроках по физике в пятом классе все наблюдали, как ослабевает звон колокольчика, помещенного под колокол воздушного насоса, при откачивании воздуха. Конечно, совершенно справедливо: звук не может существовать в вакууме. Но вакуум не только один из самых дорогих способов получения «ничего» за ваши деньги (тут, впрочем, есть немало сильных конкурентов), но он также требует, чтобы его заключили во что-то, точнее, исключили из чего-то.

Двойная панель с промежутком, в котором создан вакуум, не будет особенно эффективной потому, что звук будет проходить, как по мостикам, по элементам конструкции, удерживающим пластины панели на известном расстоянии друг от друга. Даже если эти мостики удастся сделать податливыми и получить 90 % изоляции, то все же это не представит преимущества по сравнению с обычными перегородками. Я не вижу особой будущности для панелей с «вакуумной набивкой». Думаю, что если появится механизм, который можно будет поместить в достаточно прочную камеру, откуда откачан воздух, и удерживать его в пространстве при помощи электромагнитной подвески, то, действительно, заботиться о шуме этого механизма не придется. Но возникнет другой вопрос: какой прок от столь надежно заизолированного механизма?

Впрочем, никаких чудес не требуется для того, чтобы при нынешнем состоянии техники достигнуть надежных и значительных успехов в борьбе с шумом. В самом деле, большое сокращение шума может дать возвращение к некоторым идеям девятнадцатого века: на свет снова выходят паровая машина и двигатель Стирлинга, оснащенные современной технологией. Так как в этих механизмах нет взрывов в цилиндрах, то их возрождение обещает столь желанное снижение шума.

Ожидаемая революция в области борьбы с шумом связана не столько с технологическими проблемами, сколько с приоритетом работ в этой и других областях. Ныне конструктор или планировщик должны начинать не с деталей, касающихся требуемой мощности, или строительного оборудования, а с ограничений, налагаемых условиями окружающей среды. Эти ограничения должны включать не только то, что видно и простым глазом, но и то, что не увидишь на чертежной доске, — я говорю об уровне шума. Только тогда можно продолжать проектирование устройства, и целью должно быть удовлетворение всем техническим требованиям, но не в ущерб окружающей среде. Охрана окружающей среды обходится технически развитым странам в огромные суммы. Мы можем добиться тишины, если мы ее пожелаем, но платить за нее нам придется наличными.

[30] Можно показать, что последнее условие не обязательно: в качестве излучающей антизвук поверхности можно взять любую замкнутую поверхность, внутри которой находится шумящий объект. — Прим. ред.

Поиск по сайту: