Тихое место: как устроена безэховая камера
Эти помещения можно смело назвать самыми тихими местами на Земле. Речь идет о безэховых камерах, в которых тестируют различное оборудование: от микрофонов до самолетов. Все поверхности такой комнаты, в том числе и полы, покрыты материалом с высокой поглощающей способностью. Рассказываем, какие технологии помогают добиться «идеальной» тишины.
Когда необходима тишина
В настоящее время много говорят о вреде шума и рассматривают его одним из основных неблагоприятных факторов антропогенной среды. К примеру, в лесу звуковая нагрузка составляет всего 12-26 дБ, а в вагоне метро достигает 70-90 дБ. Как видим, каждый раз спускаясь в подземку, мы испытываем звуковую нагрузку в несколько раз, превышающую естественный акустический фон.
Неудивительно, что современный человек стремится к тишине. Все популярнее становятся различные устройства для подавления шума. «Умные» беруши с функцией активного шумоподавления, ночник с эффектом белого шума или портативные шумоглушители – ни один самый высокотехнологичный девайс не сможет обеспечить абсолютной тишины. Полное отсутствие шума можно испытать только в безэховой камере. Такие помещения называют самыми тихими местами на Земле. Безэховая камера Microsoft даже попала в Книгу рекордов Гиннесса – уровень фонового шума здесь составляет -20,3 дБ, что означает, что окружающий шум в камере на 20,3 дБ ниже порога человеческого слуха. Для сравнения, -23 дБ – это шум, который издают при столкновении молекулы воздуха.
В безэховой камере можно услышать только звуки, распространяющиеся непосредственно от источника, если он есть. Скорее всего этим источником станет сам человек – можно услышать, как внутри течет кровь, бьется сердце и «скрипят» суставы. Впрочем, такая «идеальная» тишина также негативно действует на организм человека. Существует даже миф о том, что 45 минут в этой тихой комнате могут свести с ума. Миф был развенчан, но эксперименты сенсорной депривации подтвердили, что «идеальную» тишину следует рассматривать скорее с негативной точки зрения. Человеку для нормальной работы и отдыха нужна «умеренная» тишина, а полного отсутствия звуков требует, как ни странно, техника.
Одна из первых безэховых камер была построена в 1940 году. В ней проводили работы по акустике, тестировали микрофоны, имитировали распространение звука в концертном зале. В наши дни спектр задач для безэховых камер значительно расширился. Прежде всего, потому что развивается техника, особенно, что касается оборонных, авиационных и космических технологий. Сегодня существуют два вида безэховых камер: в акустических – проводят изучение звуков, а радиочастотные безэховые камеры – помещения, в которых изучают радиоволны. В первой камере все поверхности в помещении будут поглощать звуки, а во второй – радиоволны.
Акустические безэховые камеры: поглотители звука
В акустике безэховые камеры используются для имитации неограниченного пространства – эхо в них потеряно навсегда. К примеру, подобные камеры существуют на тульском заводе «Октава», где проводят испытания микрофонов. На предприятии существуют и совсем маленькие камеры для исследований миниатюрных электроакустических преобразователей и слуховых аппаратов. Например, для таких целей часто используется безэховая акустическая камера К-1 диаметром всего 70 см и высотой в один метр. Но чаще всего безэховая камера представляет собой целую комнату, все стены которой, включая пол и потолок, покрыты клиновидными шумоглушителями, или по-простому «пирамидками». Над шумоглушителями на полу натянута металлическая сетка, чтобы по ней можно было ходить.
Подобрать звукопоглощающий материал для акустической камеры – непростая задача. Чаще всего для этого используются пористые и волокнистые материалы, например, стекловолокно, шерсть, войлок, пена, минеральные ваты, пенополиэтилены и т.п. Для некоторых материалов, например, минеральных ват, большое значение имеет их высокая плотность от 120 кг/м³. Для других, например, вспененный полиэтилен – размер газовой ячейки. Длина и угол «пирамидки» вычисляются исходя из частоты исследуемого сигнала – чем ниже частота, тем она длиннее. Иногда высота «пирамидки» может достигать и нескольких метров. Безусловно, при такой геометрии теряется полезная площадь камеры, но точность испытаний повышается в разы. В советское время меломаны строили подобия акустических бехзэховых камер, оклеивая стены и потолок комнаты рельефными поддонами (лотками для яиц) из крафткартона. Пирамидальные выступы и впадины лотков позволяли достичь улучшения акустических характеристик помещения и небольшого снижения шума для соседей.
Радиочастотные безэховые камеры: поймать радиоволну
В радиочастотной безэховой камере все поверхности поглощают радиоволны. Такое помещение – одно из ключевых устройств, применяемых при определении электромагнитной совместимости технических средств. Если в быту последствия электромагнитной несовместимости чаще всего доставляют лишь досадные неудобства, когда включение того или иного электроприбора вызывает помехи в работе других, то в промышленном производстве электромагнитная несовместимость технических средств может обернуться настоящей катастрофой. С ужасом можно представить последствия отказа или сбоя электронной техники, к примеру, на атомной электростанции, химическом производстве или в электронных системах воздушного транспорта.
В основном, радиочастотные безэховые камеры используются для настроек антенной техники, при испытаниях радаров, систем радиоэлектронной борьбы. К примеру, в таких камерах на предприятиях КРЭТ испытывают новейшие самолетные радиолокационные станции с АФАР. Если измерять характеристики антенны в обычной комнате, то на результат будут влиять многочисленные переотражения от земли, стен, людей поблизости. Поэтому для проведения испытаний антенн используются радиочастотные безэховые камеры, где все поверхности покрыты радиопоглощающим материалом (РПМ), устраняющим этот эффект.
Чтобы быть эффективным поглотителем, РПМ не должен быть ни хорошим проводником, ни электрическим изолятором. Материал должен быть чем-то средним, чтобы радиоволны проникали внутрь и затухали в нем. Типичная «пирамидка» в радиочастотной безэховой камере состоит из вспененного резиноподобного материала, содержащего точно подобранную смесь порошков графита и железа (на жаргоне радиоинженеров – «болото»).
В качестве РПМ в последнее время используются и плоские ферритовые плитки, покрывающие все внутренние поверхности камеры. Этот поглотитель занимает меньше места, чем «пирамидки», но более дорог и менее эффективен на высоких частотах.
Работа по созданию инновационных радиопоглощающих материалов для безэховых камер ведется на предприятиях Ростеха. Большое число камер, работающих на различных оборонных предприятиях, оснащены РПМ производства Центрального конструкторского бюро специальных радиоматериалов (ЦКБ РМ), которое входит в холдинг «Росэлектроника» Госкорпорации Ростех. ЦКБ РМ есть что предложить заказчикам. Кроме проверенных временем разработок, есть и новые, на которые относительно недавно получены патенты.
Еще одно предприятие «Росэлектроники» – Научно-исследовательский институт «Феррит-Домен» – на протяжении многих лет выполняет НИОКР по разработке покрытий и средств снижения заметности. Недавно при поддержке Минпромторга России Институт приступил к разработке первых отечественных инновационных радиопоглощающих материалов для безэховых камер. В рамках проекта будет разработано два типа высокотехнологичных радиопоглощающих покрытий – тонкопленочный материал и материал на основе феррита. Подобная продукция на сегодняшний день не производится в России.
Основное преимущество таких материалов – это, конечно, минимальные массогабаритные характеристики, толщина составляет всего несколько миллиметров. Тонкопленочный материал будет обладать поглощающими свойствами в диапазоне частот от 70 МГц до 45 ГГц, а материал на основе феррита обеспечит качественно новый уровень производства изделий для создания абсорбера в диапазоне от 30 МГц до 2 ГГц. Чтобы оценить, что это такое, можно привести пример: мобильный телефон работает на частотах, лежащих в диапазоне от 800 МГц до 2,5 ГГц, Wi-Fi имеет частоту около 2,4 ГГц. Новейшее оборудование работает на частотах 5 ГГц, а в связи с развитием сетей 5G есть потребность создавать антенны, работающие на частотах до 26 ГГц.
Как сообщили в НИИ «Феррит-Домен» серийное производство новых радиопоглощающих покрытий и поставка заказчикам намечена на январь 2025 года.