可消除噪音的智能窗戶 幫助阻擋街道的喧囂

在炎熱的天氣里，打開窗戶讓微風(fēng)進(jìn)來是很舒服的事情。不過，如果從窗戶的還包括汽車和卡車呼嘯而過的刺耳聲音，那么事情就變得不那么“美麗”了。

街上的噪音是一種滋擾，也可成為對(duì)健康的危害，現(xiàn)如今經(jīng)常被認(rèn)為人們放棄城市而搬到更安靜的鄉(xiāng)村居住的理由。為什么技術(shù)不能緩解這個(gè)問題呢？既然我們有降噪耳機(jī)，為什么不把窗戶也降噪呢？現(xiàn)在，新加坡的研究人員已經(jīng)為模型房創(chuàng)造了這樣一個(gè)東西，他們正在努力通過原理證明其發(fā)明可適應(yīng)真實(shí)的房間。

這個(gè)想法很簡(jiǎn)單：通過傳感器接收到有規(guī)律的重復(fù)波形，比如由滾動(dòng)的輪子或轉(zhuǎn)動(dòng)的螺旋槳產(chǎn)生的聲音。電子學(xué)描述了波的特性，并產(chǎn)生了它的鏡像，而后從揚(yáng)聲器發(fā)出第二個(gè)“反波”，最終可導(dǎo)致兩個(gè)波的波峰和波谷抵消。

反噪聲最適用于頻率在300赫茲以上，高達(dá)1000赫茲的頻段，所以可以想象交通的隆隆聲。反噪聲在有限的空間也能發(fā)揮最佳效果，因?yàn)樵谟邢薜目臻g里，波和它的反波一定會(huì)很好地會(huì)合，比如在耳機(jī)和耳朵之間的空隙中。然而，經(jīng)過精心設(shè)計(jì)，這些音頻可以幫助飛機(jī)機(jī)艙甚至汽車進(jìn)行改變。在飛機(jī)上，反噪聲通過附在機(jī)身上的特殊“震動(dòng)器”傳遞；在汽車上，它通過現(xiàn)有的音響系統(tǒng)傳導(dǎo)。

在近日發(fā)表在英國《自然》雜志上的一篇論文中，南洋理工大學(xué)的研究人員描述，該設(shè)備包括使用一個(gè)麥克風(fēng)來檢測(cè)傳入的聲音，然后使用一組揚(yáng)聲器來發(fā)射相同頻率但相反壓力模式的聲波，以基本上抵消入侵的噪音。

在實(shí)際驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)過程中，研究人員使用了 24 個(gè)揚(yáng)聲器，并將其固定在窗戶內(nèi)側(cè)的格柵上，形成 8*3 的網(wǎng)格，每個(gè)揚(yáng)聲器的直徑達(dá)到了 4.5 厘米，其中一個(gè)麥克風(fēng)用來收集房間外的聲音。

然后，他們?cè)陔x窗戶外兩米遠(yuǎn)的地方放置了另一個(gè)揚(yáng)聲器，播放在新加坡一幢公寓樓外錄制的聲音，包括噴氣式飛機(jī)經(jīng)過時(shí)的噪聲和道路交通的聲音，并在房間內(nèi)放置了 18 個(gè)麥克風(fēng)，來檢測(cè)通過窗戶的噪音水平。

Photo:NTU SingaporeProf. Woon-Seng Gan of Nanyang Technological University poses with the handmade apparatus. Miniaturization could make such arrays far less apparent to the eye.

該團(tuán)隊(duì)的研究人員Elliott說道，“結(jié)果顯示該設(shè)備系統(tǒng)是有效的，它的表現(xiàn)與關(guān)閉窗戶帶來的降噪效果相當(dāng)。使用該設(shè)備，我們?cè)诜块g里測(cè)量到噪音降低了大約 10 分貝，相當(dāng)于將可感知的響度減半?！?/p>

這是一個(gè)驚人的成就，使波和反波完全抵消整個(gè)房間。電氣工程師、小組組長Bhan Lam解釋說，關(guān)鍵是噪音都是通過窗戶這個(gè)相對(duì)較小的縫隙傳來的。

“在某種程度上，我們把窗戶的開度當(dāng)作噪聲源，”他告訴IEEE Spectrum?！坝行У乜刂圃肼曉磳⑹故覂?nèi)的噪音得到控制。”他補(bǔ)充說，模擬結(jié)果表明，無論房間有多大，它都應(yīng)該起作用。

研究人員指出，這種設(shè)備將500赫茲以上的頻率噪聲降低了約一半，包括了交通和火車的噪聲，但同時(shí)他們也表示，目前該設(shè)備無法很好地抵抗低頻聲音，例如飛機(jī)或電力變壓器發(fā)出的噪音。這些聲音具有更大的波長，要與之對(duì)抗，就需要更大的揚(yáng)聲器，然而大的揚(yáng)聲器會(huì)阻礙窗戶的視線和氣流。而且該設(shè)備對(duì)于高于1000赫茲的頻譜也無效，該頻率包括了鳥鳴和人聲。

研究人員表示，這種消除噪音的裝置可以安裝在許多地方常見的窗戶安全欄柵上?！拔覀兿Ｍ@種主動(dòng)噪音控制系統(tǒng)能鼓勵(lì)人們更多地采用自然通風(fēng)，同時(shí)又不會(huì)帶來城市噪音增加的弊端?！?/p>

而且，目前研究人員已經(jīng)對(duì)該設(shè)備進(jìn)行了優(yōu)化。Lam表示，它可以用于更難以預(yù)測(cè)的噪音，比如建筑機(jī)械，他們也正計(jì)劃在現(xiàn)實(shí)環(huán)境中對(duì)他們的設(shè)備進(jìn)行實(shí)地測(cè)試。

研究人員表示，在未來，該系統(tǒng)設(shè)備需要進(jìn)一步開發(fā)，可能在5到10年內(nèi)投入生產(chǎn)，而最先投入的可能是在炎熱潮濕的環(huán)境中，例如位于赤道附近的新加坡。