Zaledwie kilkanaście metrów kwadratowych. Dosłownie zewsząd – z sufitu, ze wszystkich ścian, a nawet z podłogi – wystają kliny z pianki poliuretanowej. To robi wrażenie. Chodzenie możliwe jest tylko dzięki zawieszonej nad nimi kracie. Na środku stoi skrzynia, a na niej – źródło dźwięków. To „serce” całego układu. W rogach umieszczono specjalne głośniki. Miejsce niczym z filmów science fiction. Ale w komorze bezechowej drzemie znacznie głębsza tajemnica. Można w niej usłyszeć prawdziwą ciszę.

– Głos, jak pan słyszy, jest tutaj zupełnie inny. Taki sztuczny, nienaturalny. To dlatego, że fala dźwiękowa jest pochłaniana właśnie przez te kliny. Mają one odpowiednio dobrany kąt wierzchołkowy, tak że fala zasysana jest do środka i następuje jej wytłumienie – tłumaczy mgr Ireneusz Czajka, a choćby mimowolne odwrócenie przez niego głowy sprawia, że trzeba mocno wytężyć słuch, aby usłyszeć, co mówi. Mimo iż stoi pół metra obok.

– Tutaj nie ma tak charakterystycznego dla zwykłych pomieszczeń pogłosu, bo fala się nie odbija. Tak, to jest znakomite miejsce do wypoczynku – dodaje.

To dodatkowy atut, ale wcale nie najważniejszy. Mała komora bezechowa, podobnie jak duża – największa zresztą w kraju (1000 m3) – znajdują się na parterze Wydziału Inżynierii Mechanicznej i Robotyki Akademii Górniczo−Hutniczej i służą przede wszystkim do badań nad dźwiękiem. A konkretnie – nad sterowaniem falą akustyczną.

Nie jest to zjawisko nowe. Już w amfiteatrze w Delfach starożytni potrafili kształtować przestrzeń akustyczną. Zdawać by się mogło – nie jest to zbyt trudne, w końcu każdy, mówiąc raz ciszej raz głośniej, w pewnym stopniu nim steruje. Tyle że rozwój techniki mikroprocesorowej pozwala już na kształtowanie tych fal dokładnie tak, jakbyśmy tego oczekiwali. Żadnej przypadkowości. Dzięki temu zespół krakowskich naukowców, pod wodzą prof. Andrzeja Gołasia, podjął się karkołomnego na pozór wyzwania, polegającego na takim sterowaniu dźwiękiem, aby wygenerować za jego pomocą ograniczoną przestrzeń akustyczną, poza którą byłby on skutecznie wytłumiony. Osiągnięcie celu jest już blisko. Wprawdzie do tej pory terenem eksperymentalnym było zamknięte pomieszczenie, ale wkrótce testy odbędą się w plenerze. Idealnym miejscem byłby Rynek.

– Tam ciągle organizowane są imprezy rozrywkowe, które mają to do siebie, że są głośne i słychać je dosłownie wszędzie w okolicy. Tymczasem, oprócz ich uczestników, są też sprzedawcy, hotelarze, wreszcie mieszkańcy, którzy nawet jeśli nie otwierają okien w domu, to i tak mimowolnie wszystko do nich dociera. Chcielibyśmy więc zamknąć dźwięk jedynie na pewnym obszarze, a poza nim spróbować go wyeliminować. W końcu nie każdy może być zwolennikiem głośnej muzyki – przekonuje kierownik projektu.

FALA GONI FALĘ

W polu akustycznym bez odbić, takim właśnie jak komora bezechowa, zadanie to nie jest trudne do wykonania. Falę dźwiękową zwalcza się poprzez wygenerowanie innej fali, tzw. pościgowej. Spotykając się w pewnym punkcie, obie się unicestwią. To tak, jak w falowodach, w których fala rozchodzi się zawsze w jednym kierunku. Zgodnie z zasadą interferencji, jeśli napotka na swej drodze inną, wzajemnie się zwalczą. Czy jednak mechanizm ten sprawdzi się również w rzeczywistej przestrzeni, gdzie mamy do czynienia z odbiciami?

– Jest to trudne, ale nie niemożliwe – dowodzi prof. Gołaś. – Tutaj też kluczem byłaby fala pościgowa, emitowana przez dodatkowe źródło energii. W normalnych warunkach dźwięk odbija się od budynków, wraca, kieruje się w górę. Dodanie nowego pola akustycznego spowoduje, że w okolicach budynków będzie ciszej, a muzyka na środku Rynku nie zostanie zakłócona.

Układ krakowskich naukowców opiera się na adaptacji do warunków otoczenia. W głównej mierze zapewnia to mikrofon−zwiadowca, który umieszczony na obszarze chronionym, np. przy elewacji budynku, za każdym razem pobiera sygnał dochodzący z estrady. Następnie ten „wzorzec” przesyłany jest do systemu, gdzie zostaje przetworzony i nadany do głośników. Dzięki temu źródła dodatkowe, czyli specjalnie skonstruowane głośniki, mogą wygenerować odpowiednią falę kompensacyjną, która przechwytuje falę pierwotną i obie interferują w okolicach tychże głośników, nie docierając już do elewacji budynku. Fala pościgowa musi być jednak tak dobrana, żeby powodując obniżenie poziomu dźwięku, jednocześnie nie pobiegła w stronę słuchaczy i nie przeszkodziła w odbiorze muzyki. Efekt taki można osiągnąć jedynie wtedy, gdy zostanie ona wysłana w ściśle określonym momencie, kierunku i odpowiedniej amplitudzie. Trudność polega na tym, że w plenerze, w przeciwieństwie np. do komory bezechowej, mamy do czynienia nie z jedną falą, ale z ich kłębowiskiem, a w dodatku biegną one w różne strony. Problem sprawia też odpowiednie ustawienie głośników. Zazwyczaj stoją one tuż przy estradzie i to dzięki nim dźwięki z koncertu docierają do słuchaczy. Kto znajduje się bliżej sceny, ten słyszy lepiej. Ale sygnał, tyle że mniej wyraźny, dociera jeszcze i kilkaset metrów dalej. Tymczasem, zdaniem krakowskich naukowców, lepiej byłoby ustawić głośniki – jako dodatkowe źródła energii – w ten sposób, aby zamykały przestrzeń akustyczną, a dźwięk wcale nie musiałby się dalej rozchodzić. Dzięki temu budynki wokół Rynku chronione byłyby przed nadmiernym hałasem.

– Teraz pracujemy właśnie nad optymalnym rozmieszczeniem głośników. W każdej sytuacji wymaga to innych parametrów. Ogólny pomysł jest taki, żeby umieszczać je jak najbliżej obszarów chronionych, czyli np. budynków, ale to wymaga jeszcze potwierdzenia. Musimy sprawdzić, w których miejscach ten układ jest najwrażliwszy na zmiany – zapowiada prof. Andrzej Gołaś.

W doświadczeniach okazało się, że efekty zależą w dużym stopniu od liczby głośników, które mają generować falę pościgową. Kiedy jest ich więcej, każdy z nich może w większym stopniu dostosować się do lokalnych warunków. Stworzona przez nie zamknięta przestrzeń akustyczna nie będzie jednak jednolita, a dźwięk nie będzie w każdym miejscu zrozumiały i wyraźny. Dodatkowe źródła energii spowodują, owszem, wytłumienie muzyki, ale jednocześnie mogą zniekształcać fale akustyczne.

– Jesteśmy w tej chwili na takim etapie, że ciężko nam osiągnąć efekt estetycznie zadowalający. Poza tym, o ile można sprowadzić cały problem do takiego wąskiego zakresu, żeby dobrze było słychać ludzką mowę, o tyle w przypadku muzyki, gdzie wymagania są znacznie większe, jest to niezwykle trudne. Nie należy oczekiwać, że z dnia na dzień nad tym dźwiękiem zapanujemy. Ale pracujemy nad tym – w głosie mgr. Czajki wyraźnie słychać nadzieję.

NAUSZNIKI TO ZA MAŁO

Prof. Gołaś przyznaje, że oczekiwania w stosunku do projektu są duże. Naukowcy z AGH od wielu lat skutecznie zajmują się akustyką. Tyle że wcześniej były to głównie systemy oparte na metodach pasywnych. Podobne do tych, jakie się stosuje stawiając ekrany przy ruchliwych drogach, ścianki działowe w pomieszczeniach czy odpowiednio rozmieszczając materiały dźwiękochłonne w salach koncertowych bądź operowych.

– Braliśmy między innymi udział w odbudowie Filharmonii Krakowskiej, która spaliła się na początku lat dziewięćdziesiątych – wspomina prof. Andrzej Gołaś.

Wraz z rozwojem techniki procesorowej zaczęto jednak sięgać po metody aktywne, polegające na tym, że wprowadza się dodatkowe źródło dźwięku, którego zadaniem jest unicestwienie tego, co niepotrzebne. Nie mają one ani wyprzeć, ani być skuteczniejsze od metod biernych. Istnieją po prostu obszary, na których warto pokusić się o sterowanie dźwiękiem poprzez wprowadzanie dodatkowych źródeł energii. Dookoła stadionu piłkarskiego czy żużlowego można by ustawić mikrofony, które będą pobierały sygnał, wygenerowany tym razem nie za pomocą wzmacniaczy akustycznych, ale całkiem naturalnie – przez dopingujących kibiców bądź jeżdżące motocykle. Odpowiednio rozmieszczone głośniki wyślą falę pościgową, dzięki której wokół stadionu będzie jednak cicho. A muzea? To też doskonałe miejsce do sprawdzenia systemu. W gruncie rzeczy chodzi przecież o to, żeby przewodnik jednej grupy nie zagłuszał innego.

– Podobne działania można zastosować, żeby zlikwidować hałas generowany przez opony samochodowe czy w kabinie śmigłowców przewożących ważne osoby. Oczywiście, tutaj byłoby wszystko zminimalizowane. Małe głośniczki przy uszach, coś na wzór słuchawek, a w kieszeni – cały mechanizm sterowania, za pomocą którego wyłapywana byłaby fala docierająca do uszu i emitowana taka, która ją likwiduje – opisuje prof. Gołaś.

Czy do tego wszystkiego nie wystarczą nauszniki bądź słuchawki? Pewnie tak, ale zakładając je, wyeliminujemy tym samym wszystkie otaczające nas dźwięki. Poczujemy się niczym w komorze bezechowej, słysząc ciszę. A to pozbawi nas możliwości reagowania na zagrożenia. Dźwięk bowiem nie służy jedynie do komunikacji między ludźmi, może być również sygnałem alarmowym. Układ zaproponowany przez badaczy z AGH jest o tyle innowacyjny, że eliminuje tylko pewne określone dźwięki, te, których nie chcemy słyszeć, natomiast pozostałe docierają do naszych uszu. Daje zatem możliwość selektywnej eliminacji.

Sposobów wykorzystania systemu jest zresztą więcej, bo jego zaletą jest łatwa adaptacja, ale i uniwersalność. Falę akustyczną można nie tylko tłumić, również wzmacniać. Dlatego cały mechanizm da się zastosować chociażby w terapii osób słabosłyszących.

– Istotą prowadzonych w komorze bezechowej badań jest nie tylko zwalczanie hałasu, ale także kreowanie pewnej przestrzeni akustycznej. Skoro dodatkowym źródłem energii możemy zniszczyć dźwięk tak, żeby było ciszej, to znaczy, że – odwracając proces – można go też wzmocnić. I to, co wykonuje się na drodze elektrycznej, na przykład w studiach nagraniowych, można zrobić w stworzonej przez nas przestrzeni akustycznej – tłumaczą moi rozmówcy i dodają od razu, że o efektach ich prac trudno jeszcze dziś rozmawiać.

– To jest tak, jak z dzieckiem. Kiedy uczy się chodzić, to najpierw na czworakach, później powoli staje, a na końcu dopiero stawia samodzielne kroki. Tutaj jest podobnie. Komora bezechowa daje nam największą kontrolę nad tym, co się tam dzieje. Nie pojawiają się odbicia, więc sprawdzamy tylko, czy system działa. Jeśli on sobie tam radzi, to wtedy testujemy, jak się zachowa, gdy pojawi się więcej powierzchni odbijających. Będziemy chcieli też niedługo przejść do normalnego pomieszczenia, a na końcu spróbować zmierzyć się z tym na powietrzu – zapowiada mgr Czajka.

Już wiadomo, że w niektórych przypadkach, gdzie mechanizm sterowania przestrzenią dźwiękową byłby pożądany, przeszkodą są ograniczenia technologiczne. Tak jest np. z lotniskami zlokalizowanymi blisko osiedli mieszkalnych. Tam moc źródła musiałaby być olbrzymia, wielokrotnie głośniejsza niż sam samolot, co mogłoby być dość trudne w realizacji.

– Dlatego, chociaż teoretycznie nie ma żadnych ograniczeń, to w praktyce system powinien sprawdzać się na obszarach nie większych niż krakowski Rynek – prognozuje mgr Czajka.

Wyniki, które osiągnięto do tej pory, napawają optymizmem. Różnica między tym, co na środku pomieszczenia, a ścianami, przy których stoją dodatkowe źródła dźwięku, wynosi kilka, kilkanaście decybeli. To sporo, wziąwszy pod uwagę, że dźwięk staje się niebezpieczny dla człowieka już przy 85 dB. Prof. Andrzej Gołaś przyznaje, że niezwykle trudne, o ile wręcz niemożliwe jest, żeby nie było nic słychać. Ale i hałas mniejszy o tych kilkanaście decybeli znacząco poprawiłby komfort osób postronnych, znajdujących się w pobliżu miejsca, gdzie odbywałby się koncert.

– Ten pozostający na elewacji dźwięk bierze się nie stąd, że mamy na przykład za słabą falę pościgową, ale dlatego, że jest ona w pewien sposób niedopasowana w przeciwfazie. I te wszystkie braki powodują, że jednak sygnał całkowicie wytłumiony nie będzie.

Mimo iż trzyletni grant naukowców z AGH dobiega już końca, na czerwcowym koncercie z okazji jubileuszu 750−lecia lokacji Krakowa, nie będzie jeszcze wdrożony. Ale akurat muzyka gościa specjalnego tej imprezy, Ennia Morricone, potrafi ukoić nawet najwrażliwsze uszy.