Основные физические характеристики

АКУСТИЧЕСКИХ ВОЛН И ВОСПРИЯТИЕ ИХ ЧЕЛОВЕКОМ

Звук - это распространяющиеся в упругих средах (газах, жидкостях и твердых телах) механические колебания, воспринимаемые органами слуха и техническими средствами приема акустических сигналов.

Звуки составляют основу речи, которая служит главным средством общения между людьми.

Основными физическими характеристиками любого колебательного процесса являются период и амплитуда колебания, что применительно к звуку аналогично частоте и интенсивности звуковых колебаний. Акустическое поле является одним из наиболее распространенных, несущих информацию полей, , носителем информации в котором являются акустические сигналы. Акустические сигналы представляют собой возмущения упругой среды, проявляющиеся в возникновении акустических колебаний - механических колебаний частиц упругой среды, распространяющихся от источника колебаний в окружающее пространство в виде волн различной формы и длительности.

При колебаниях в воздухе или другом газе говорят о воздушном звуке, в жидкости (воде) – о звуке в жидкости (подводном звуке), в твердых телах – о структурном [вибрационном] звуке.

Источники акустических колебаний разделяют на:

первичные – механические колебательные системы, например, органы речи человека, музыкальные инструменты, струны,звуки работающей техники;

вторичные – электроакустические преобразователи – устройства для преобразования акустических колебаний в электрические и обратно (пьезоэлементы, микрофоны, телефоны, громкоговорители и др.) и технические устройства в которых эти преобразователи используются.

Речь может быть охарактеризована тремя группами характеристик:

• семантическая или смысловая сторона речи – характеризует смысл тех понятий, которые передаются при ее помощи;

• фонетическая характеристика речи – данные, характеризующие речь с точки зрения ее звукового состава. Основной фонетической характеристикой звукового состава является частота встречаемости в речи различных звуков и их сочетаний;

• физическая характеристика – величины и зависимости, характеризующие речь как звуковое явление.

Органы слуха человека способны воспринимать колебания частотой от 16-20 Гц до 16-20 кГц. Колебания с указанными частотами называют звуковыми. Неслышимый звук с частотой ниже 16 Гц называют инфразвуком, выше 20 кГц – [в пределах 1,5*10⁴ – 10⁹ Гц; ]- ультразвуком, в пределах 10⁹ – 10^13. Гц. - гиперзвуком

Звуковые колебания характеризуются звуковым давлением, интенсивностью звука, громкостью,мощностью звука.

Энергетической характеристикой звуковых колебаний является интенсивность звука, которая зависит от амплитуды звукового давления, а также от свойств среды распространения и формы волны .

Одной из характеристик любой произвольной точки звукового поля является звуковое давление, вызываемое переменной составляющей звуковой волны.

Звуковое давление – это переменная часть давления , возникающего при прохождении звуковой волны в среде распространения.Измеряется эта сила,действующая на единицу площади в паскалях [ Па ].

Звуковое давление в воздухе изменяется от 10^-5 Па вблизи порога слышимости до ~10 Па – болевой порог при самых громких звуках (шум реактивного самолета). При средней громкости разговора переменная составляющая звукового давления порядка 0,1 Па.

Минимальное звуковое давление, на которое реагирует человеческое ухо, составляет 2·10^-5 Па, максимальное же воспринимаемое без ощущения боли звуковое давление 10² Па (рис.1.).

Для характеристики звука применяется также уровень звукового давления, выраженного в децибелах (дБ) - отношение величины данного звукового давления Р к пороговому значению звукового давления равному Р₀ = 2·10^-5 Па:

N = 20 lg (P/P₀)

Плоскость между порогом слышимости и болевым порогом называют плоскостью слышимости. Эта плоскость характеризуется следующими данными:

-по частоте колебаний-20Гц—20 кГц;

• по звуковому давлению—0-_140 дБ.

Область разговорной речи [рис.1.] обозначена горизонтальной штриховкой [по частоте колебаний 0,2-4,0 кГц,по звуковому давлению 35-85 дБ],негромкой музыки- вертикальной штриховкой .

Рис. 1. Плоскость слышимости уха.

Среднее по времени значение мощности звука,отнесенное к единице площади,называют интенсивностью звука[ силой звука].

Интенсивность звука оценивается уровнем интенсивности по шкале децибел:

N = 10 lg (J/J₀),

где J - интенсивность данного звука, J₀ = 10^-12 Вт/м².

Весь диапазон интенсивностей, при которых волна вызывает в человеческом ухе звуковое ощущение (от 10^-12 до 10 Вт/м²), соответствует значениям уровня громкости от 0 до 130 дБ. В табл. 1 приведены ориентировочные значения уровня громкости для некоторых звуков.

Таблица 1.

Оценка громкости звука на слух	Уровень звука, дБ	Источник звука
Очень тихий	0 10	Усредненный порог чувствительности уха Тихий шепот (1,5м)
Тихий	20 30 40	Тиканье настенных механических часов Шаги по мягкому ковру (3-4м) Тихий разговор
Умеренный	50 60	Легковой автомобиль (10-15м) Улица средней шумности
Громкий	70 80	Спокойный разговор (1м) Крик
Очень громкий	90 100	Шумная улица Симфонический оркестр
Оглушительный	110 120 130	Пневмомолот Гром над головой Звук воспринимается как боль

За условное (нормированное) значение нулевого уровня интенсивности акустических колебаний принята интенсивность, равная I₀ = 10^-12 Вт/м², при этом относительный уровень интенсивности будет равен [1]:

L_I = 10lg(I/I₀), дБ. (1)

Уровень акустического давления для воздуха определяют относительно акустического давления, соответствующего нулевому значению уровня интенсивности для удельного акустического сопротивления, равного  = 400 кг/(м²•с) [1]:

L_p = 20lg(p/p₀), дб, (2)

где p₀ = 2•10^-5 Па  условное значение нулевого уровня акустического давления.

При акустических измерениях используется понятие интенсивности звука I (в Вт/м² ), равную количеству акустической мощности, проходящей через единицу поверхности:

I =( pu)_cp. (3)

Выражение (3) неудобно для вычислений, так как трудно измерить скорость частиц из-за чрезвычайно малой их величины.

С другой стороны для свободно распространяющеся волны имеет место соотношение:

Z_s = p/u = c, (4)

откуда p = cu или u=p/c.

Тогда интенсивность звука I (в Вт/м² )

I (в Вт/м² ) = (pu)_cp = (p²/c)_ср . (5)

Формула (5) очень удобна, так как давление можно измерить с помощью микрофона. Звуковая мощность (в Вт) определяется как

W = I S, ( 6 )

где I – интенсивность звука , проходящего через площадь S.

Обычно, за стандартную пороговую мощность звука принимается мощность 10^-13 Вт. Важно указывать пороговый уровень при определении уровня акустической мощности.

Переменное давление в воздушной среде Р(t) регистри-

руется как функция времени или, чаще, как функция частоты в виде эффективного (усредненного за определенный промежуток времени) значения в полосе частот.Из практических соображений звуковое давление выражают не в микробарах или ньютонах на метр квадратный, а в уровнях звукового давления в децибелах (дБa), определяемых по формуле:

L_p (дБа) = 20 lg (P_eff/P_o), (7)

где Р_eff - эффективное значение реального звукового давления; Р_o - эффективное значение звукового давления на пороге слышимости, принятое в международной практике для воздушной среды равным 210^-5 н/м² . Наряду с этим часто пользуются системой единиц СИ, в которой 1 н/м² = 1 Паскаль (Па).

Для помещений с определённым звукопоглощением стен уровень мощности звукового давления определяется из соотношения:

L_I(дБа) = L_po - 10lg[(4r²)^-1] – Q_п, (8)

где Р_o - пороговое значение звуковой мощности для источников в воздушной среде;

Р - значение мощности реального звука.

Сравнение двух источников по звуковой мощности (Р₁ , Р₂ ) в соответствии с (8) производится путем вычисления отношения:

 L = L_p1 – L_p2 (9)

Мощность звукового давления или его уровни, как пра-

вило, относят к определенной полосе частот, в которой они измеряются и промежутку времени, в течение которого существует звук.

Измерение звукового давления в пределах определенных полос частот производят с помощью измерительных устройств, в состав которых входят электрические фильтры. Наиболее распространенными являются октавные фильтры с прямоугольной характеристикой, верхняя и нижняя (2f_гн=f_гв) граничные частоты которых различаются вдвое. С помощью фильтров измеряются уровни звукового давления в различных участках спектра обычно в привязке к октавным среднегеометрическим частотам, определяемым по формуле:

f_i = (f_нi f_вi)^1/2, f_нi = 1/2f_вi (10)

В речевом диапазоне удовлетворительная разборчивость слов (без учета индивидуальной тембровой окраски голоса) имеет место при спектре звуковых сигналов, ограниченном частотами F₁ = 180 Гц и F₂ = 5600 Гц. Указанный спектральный диапазон речевого сигнала делится на пять октавных полос.

Для октавных полос эти значения приведены в таблице 3.

Таблица 2. Характеристики октавных полос частотного диапазона речи.

Номер полосы	Частотные границы полосы fн…..fв Гц	Среднегеометрическая частота полосы fi Гц	Весовой коэффициент полосы, ki
1	90…175	125	0,01
2	175…355	250	0.03
3	355…710	500	0.12
4	710…1400	1000	0.20
5	1400…2800	2000	0.30
6	2800…5600	4000	0.26
7	5600…11200	8000	0.07

Информативные речевые сигналы могут распространяться через ограждающие конструкции выделенных помещений вследствие наличия в них пор, щелей и т.п. (воздушный перенос) и из-за низких звукоизолирующих свойств материалов пола, стен, потолка и других элементов строительных конструкций. Эти же сигналы могут распространяться по трубопроводным коммуникациям в виде продольных колебаний (материальный перенос) или поперечных колебаний (мембранный перенос). В большинстве конкретных ситуаций обычно имеет место перенос опасных сигналов всеми тремя способами.

Возможный технический канал утечки конфиденциальной речевой информации воздушной волной показан на рис.2.

Рш

111

элемент звукоизоляции

источник U_ист Р_ист злоумышленник

информации (ТСР)

Среда распространения (воздух, вода,

строительные конструкции и т.п.).

Рис.2. Воздушный технический канал утечки речевой конфиденциальной информации.

Затухание звука- уменьшение интенсивности звуковой волны ( а, следовательно и амплитуды) по мере ее распространения связано с несколькими причинами:

А) так называемым расхождением волны, связанным с тем, что на больших расстояниях от источника поток излучаемой звуковой энергии по мере распространения распределяется на все увеличивающуюся волновую поверхность и соответственно уменьшается интенсивность звука;

Б) рассеиванием звука на препятствиях в в среде и ее неоднородностях, размеры которых малы или сравнимы с длиной волны;

В) поглощением звука, которое происходит в результате необратимого перехода энергии звуковой волны в другие виды энергии (преимущественно в теплоту ).

Возможная дальность распространения речевого сигнала связана с« мощностью«его источника-тихая речь,громкая речь,со средним уровнем,,усиленная техническими средствами.

Уровни речевого сигнала Lsi в октавных полосах в зависимости от интегрального уровня речи Ls приведены в таблице 3.

Таблица 3.

Номер полосы Речевого сигнала	Ls=64 [ тихая речь ]	Ls=70 [речь со средним уровнем]	Ls=76 [ громкая речь]	Ls=84 [очень громкая речь,усиленная техническими средствами]
1.	47	53	59	67
2.	60	66	72	80
3.	60	66	72	80
4.	55	61	67	75
5.	50	56	62	70
6.	47	53	59	67
7.	43	49	55	63

Примечание; типовые интегральные уровни речи Ls измерены на расстоянии 1м от источника сигнала,дБ.

Естественно что при организации защиты от утечки речевой информации из защищаемого помещения мы должны обеспечить максимальное подавление информативного сигнала и уменьшение его уровня в месте расположения злоумышленника до уровня гарантирующего невозможность его перехвата.

В данной лабораторной работе в качестве критерия акустической защищенности мы будем использовать величину звукоизоляции несущих конструкций в октавной полосе (Таблица 4. ).

Одним из основных пассивных способов технической защиты от утечки акустической информации через строительные конструкции помещения является их звуко- и виброизоляция .

Звуко- и виброизолирующие конструкции устанавливаются на пути распростра­нения опасного звукового воздушного или структурного сигнала и служат для того, чтобы уменьшить уровень акустического давления опасного информационного воздушного или структурного акустического сигнала до уровня, не позволяющего осуществить его перехват соответствую­щими техническими средствами (лазерные системы, микрофоны, направленные микрофоны, стетоскопы, пъезоэлектрические акселерометры и т.п. ). Основной вклад в звуко- и виброизоляцию вносит отражение волн. Звукоизолирующую способность конструкции характеризуют величиной звукоизоляции, определяе­мой соотношением :

Q =10lg ( ) [ дБ ]

где I1 и I2, соответственно, интенсивность волны, падающей на преграду и прошедшей через нее.

Простейшей звукоизолирующей преградой является плоская граница двух сред. Коэффициент прохождения плоской звуковой волны ( по давлению) равен:

Кp =

где Кp - коэффициент прохождения по давлению;

;- волновое сопротивление (импеданс) среды, из которой падает волна,

.

- волновое сопротивление (импеданс) среды, в которую проходит звуковая волна,

ρ₁, ρ₂ и v₁, v₂ – соответственно плотности первой и второй сред и скорости распространения в них звуковых волн.

Для звукоизоляции границы раздела двух сред получаем :

Для случая, когда изолирующий слой толщины l и волновым сопротивлением Z2 расположен между средами с волновым сопротивлением Z1 и Z3.

Особый интерес представляет случай сильного рассогласования импедансов -

Z1 >> Z2 или Z1 << Z2.

Для Z1 << Z2 и k ∙ l << 1 (например, тонкий слой плотного материала в воздухе)

и учитывая, что получаем :

где m = ρ₂ ∙ l - поверхностная плотность слоя , являющаяся в данном случае единст­венным параметром слоя, влияющим на эффективность звукоизоляции.

Это соотношение называют «законом массы» в звукоизоляции. В со­ответствии с этой зависимостью (3.4) звукоизоляция растет с произведением частоты акустического сигнала и поверхностной массы.

Для другого предельного случая

Z1 >> Z2 (например резиновая прокладка между металлическими деталями ,слой воздуха в воде)

где Х - поверхностная упругость слоя, ;

l – толщина слоя

В этом случае единственным параметром слоя, влияющим на величину звуко­изоляции является поверхностная упругость. Это соотношение (3.5) получило назва­ние «закона упругости». В соответствии с этим выражением звукоизоляция увеличивается по мере роста частоты и уменьшения упругости слоя, т.е. по мере увеличения рассогласования импедансов среды и слоя. «Закон упругости» пред­ставляет интерес главным образом для задач виброизоляции опасного струк­турного сигнала.

Наряду со звуко- и виброизоляционными конструкциями, действие которых основано на явлении отражения волн, в конструкциях защиты акустического канала утечки информации нашли широкое применение диссипативные конструкции, уменьшающие интенсивность звуковых волн или амплитуд вибраций за счет преобразования звуковой энергии в тепловую.

В качестве звукоизоляционных поглощающих систем чаще всего применяются пористые и волокнистые материалы, а также резонансные поглотители звука.

Защита конфиденциальной речевой информации может быть проведена за счет установки элементов звукоизоляции на пути распространения воздушной волны между источником информации и местом возможного расположения злоумышленника ( рис.1). Это, в первую очередь, несущие конструкции защищаемого помещения, элементы акустической обработки, акустические экраны, кожухи и кабины. Защита обеспечивается в том случае когда значения октавных коэффициентов звукоизоляции соответствуют установленным нормативными документами Гостехкомиссии значениями.

Таблица 4.

Значения параметра акустической защищенности помещения

Место возможного перехвата речевой конфиденциальной информации		Нормативное значение параметра акустической защищенности помещения, дБ
		Помещения, не оборудованные системами звукоусиления	Помещения, оборудованные системами звукоусиления
Смежные помещения		46	604
Уличное пространство	Улица без транспорта	36	50
	Улица с транспортом	26	40

Наиболее объективные результаты акустической защищенности выделенного помещения могут дать технические методы контроля.