ФОЗИ

Содержание
СОДЕРЖАНИЕ ...........................................................................................................................................................................................................................................................	1
ВВЕДЕНИЕ ..................................................................................................................................................................................................................................................................	2
ФИЗИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА ЗИ .......................................................................................................................................................................................................................................	3
КЛАССИФИКАЦИЯ ОСНОВНЫХ ФИЗИЧЕСКИХ СРЕДСТВ ЗИ И ВЫПОЛНЯЕМЫХ ИМИ ФУНКЦИЙ .....................................................................................................................................	3
АКУСТИКА..................................................................................................................................................................................................................................................................	3
ОПРЕДЕЛЕНИЯ............................................................................................................................................................................................................................................................	3
ЛИНЕЙНЫЕ ХАР-КИ ЗВУКОВОГО ПОЛЯ ........................................................................................................................................................................................................................	4
ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ХАР-КИ ЗВУКОВОГО ПОЛЯ..............................................................................................................................................................................................................	4
УРОВНИ .....................................................................................................................................................................................................................................................................	4
АКУСТИЧЕСКИЕ УРОВНИ ............................................................................................................................................................................................................................................	4
ПЛОСКАЯ ВОЛНА........................................................................................................................................................................................................................................................	5
МАТ. ОПИСАНИЕ БЕГУЩИХ ВОЛН....................................................................................................................................................................................................................	5
СФЕРИЧЕСКАЯ ВОЛНА ................................................................................................................................................................................................................................................	5
ЦИЛИНДРИЧЕСКАЯ ВОЛНА .........................................................................................................................................................................................................................................	6
ИНТЕРФЕРЕНЦИЯ ЗВУКОВЫХ ВОЛН.............................................................................................................................................................................................................................	6
ОТРАЖЕНИЕ ЗВУКА ....................................................................................................................................................................................................................................................	6
ПРЕЛОМЛЕНИЕ ЗВУКА ................................................................................................................................................................................................................................................	7
ДИФРАКЦИЯ ВОЛН......................................................................................................................................................................................................................................................	7
ЗАТУХАНИЕ ВОЛН ......................................................................................................................................................................................................................................................	7
ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА СЛУХА....................................................................................................................................................................................................................................	7
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ВОКОДЕРОВ ....................................................................................................................................................................................................................................	7
НЕЛИНЕЙНЫЕ СВОЙСТВА СЛУХА................................................................................................................................................................................................................................	8
ВОСПРИЯТИЕ ПО АМПЛИТУДЕ ..........................................................................................................................................................................................................................	9
ПОРОГ СЛЫШИМОСТИ ................................................................................................................................................................................................................................................	9
УРОВЕНЬ ОЩУЩЕНИЙ ................................................................................................................................................................................................................................................	9
УРОВЕНЬ ГРОМКОСТИ ................................................................................................................................................................................................................................................	9
ЭФФЕКТ МАСКИРОВКИ ...............................................................................................................................................................................................................................................	9
КРИВЫЕ МАСКИРОВКИ ДЛЯ РЯДА ЧАСТОТ И ИХ УРОВНЕЙ .........................................................................................................................................................................................	10
ГРОМКОСТЬ СЛОЖНЫХ ЗВУКОВ ................................................................................................................................................................................................................................	10
ПЕРВИЧНЫЕ АКУСТИЧЕСКИЕ СИГНАЛЫ И ИХ ИСТОЧНИКИ ........................................................................................................................................................................................	10
ДИНАМИЧЕСКИЙ ДИАПАЗОН И УРОВНИ ....................................................................................................................................................................................................................	10
ЧАСТОТНЫЙ ДИАПАЗОН И СПЕКТРЫ .........................................................................................................................................................................................................................	11
ПЕРВИЧНЫЙ РЕЧЕВОЙ СИГНАЛ .................................................................................................................................................................................................................................	11
АКУСТИКА В ПОМЕЩЕНИЯХ ............................................................................................................................................................................................................................	12
СРЕДНИЙ КОЭФФИЦИЕНТ ПОГЛОЩЕНИЯ...................................................................................................................................................................................................................	13
ЗВУКОПОГЛОЩАЮЩИЕ МАТЕРИАЛЫ И КОНСТРУКЦИИ .............................................................................................................................................................................................	13
ПЕРФОРИРОВАННЫЕ РЕЗОНАТОРНЫЕ ПОГЛОТИТЕЛИ ................................................................................................................................................................................................	14
ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ВОЛНЫ........................................................................................................................................................................................................................	14
РАСПРОСТРАНЕНИЕ Э/М ВОЛН ..................................................................................................................................................................................................................................	14
ИЗЛУЧЕНИЕ И ПРИЕМ Э/М ВОЛН................................................................................................................................................................................................................................	15
РАСПРОСТРАНЕНИЕ Э/М ВОЛН В ПРОСТРАНСТВЕ ......................................................................................................................................................................................................	16
ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ О ЛИНИЯХ ПЕРЕДАЧИ И ОБЪЕМНЫХ РЕЗОНАТОРАХ................................................................................................................................................................	16
ОБЪЕМНЫЕ РЕЗОНАТОРЫ..........................................................................................................................................................................................................................................	17
АНТЕННЫ.................................................................................................................................................................................................................................................................	17
ОСНОВНЫЕ ТИПЫ АНТЕНН .......................................................................................................................................................................................................................................	18
Проволочные антенны .....................................................................................................................................................................................................................................	18
Рупорные антенны ...........................................................................................................................................................................................................................................	19
Зеркальные антенны ........................................................................................................................................................................................................................................	19
Рамочные антенны ..........................................................................................................................................................................................................................................	20
ОСНОВЫ РАДИОЛОКАЦИИ ................................................................................................................................................................................................................................	20
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАДИОЛОКАЦИОННОГО КАНАЛА .....................................................................................................................................................................................	20
ДИАПАЗОН ДЛИН ВОЛН В РЛ ....................................................................................................................................................................................................................................	21
РАДИОЛОКАЦИОННЫЕ ЦЕЛИ, ЭФФЕКТИВНАЯ ОТРАЖАЮЩАЯ ПЛОЩАДЬ (ЭОП) ЦЕЛИ ..............................................................................................................................................	21
ЭОП ДЛЯ ТЕЛ ПРОСТОЙ ФОРМЫ ...............................................................................................................................................................................................................................	22
Линейный вибратор .........................................................................................................................................................................................................................................	22
ЭОП ИДЕАЛЬНОГО ПРОВОДЯЩЕГО ТЕЛА, РАЗМЕРЫ КОТОРОГО ЗНАЧИТЕЛЬНО БОЛЬШЕ Λ..........................................................................................................................................	23
КОЭФФИЦИЕНТЫ ОТРАЖЕНИЯ ФРЕНЕЛЯ ..................................................................................................................................................................................................................	23
ПРОТИВОРАДИОЛОКАЦИОННЫЕ ПОКРЫТИЯ .............................................................................................................................................................................................................	24
ИНФОРМАЦИЯ О СКОРОСТИ ДВИЖЕНИЯ ЦЕЛИ, ИЗВЛЕКАЕМОЙ ПРИ ОБРАБОТКЕ РАДИОЛОКАЦИОННОГО СИГНАЛА ....................................................................................................	24
ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА РАДИОВОЛН, ИСПОЛЬЗУЕМЫХ В РАДИОЛОКАЦИИ .................................................................................................................................................................	25
ПЕРЕДАЧА ИНФОРМАЦИИ С ПОМОЩЬЮ ЛАЗЕРА....................................................................................................................................................................................	25
ОПТИЧЕСКИЕ КВАНТОВЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ...................................................................................................................................................................................................................	25
ИЗЛУЧЕНИЕ Э/М ВОЛН СОВОКУПНОСТЬЮ КОГЕРЕНТНЫХ ИСТОЧНИКОВ ....................................................................................................................................................................	25
ПОГЛОЩЕНИЕ И УСИЛЕНИЕ ИЗЛУЧЕНИЯ, РАСПРОСТРАНЯЮЩЕГОСЯ В СРЕДЕ............................................................................................................................................................	27
ПРИНЦИП РАБОТЫ ЛАЗЕРА .......................................................................................................................................................................................................................................	28
ОСНОВНЫЕ ТИПЫ ЛАЗЕРОВ ......................................................................................................................................................................................................................................	28
Твердотельные лазеры.....................................................................................................................................................................................................................................	28
Жидкостные лазеры ........................................................................................................................................................................................................................................	28
Газовые лазеры.................................................................................................................................................................................................................................................	29
Полупроводниковые лазеры .............................................................................................................................................................................................................................	29
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ ДЛЯ СЪЕМА ИНФОРМАЦИИ ......................................................................................................................................................................	29
ФОТОРЕФРАКТИВНЫЙ ЭФФЕКТ.................................................................................................................................................................................................................................	30

1

Разведки радиосигналов излучаемых разведываемыми объектами.

Введение

Как отмечает зарубежная печать, до 80% разведывательной информации добывается в настоящее время с использованием радиоэлектронных средств. В этих условиях повышается роль мероприятий по защите сведений составляющих государственную, военную, коммерческую тайну. В курсе лекций будут рассмотрены физические процессы которые лежат в основе построения средств защиты от радиотехнической, радиолокационной, лазерной, инфракрасной, телевизионной разведок.

РЭР ведется с использованием сигналов радиосвязи, которая может оказаться единственным способом передачи информации. Основная задача РЭР - добывание сведений путем обнаружения, перехвата открытых или кодированных засекреченных передач связных радиостанций, пеленгование источников РС и определение их местонахождения.

Рассмотрим основные виды РЭР.

1.РТР относится к пассивному виду РЭР. Предназначена для обнаружения и распознавания сигнала РЛС работающих в непрерывном и импульсном режимах, радионавигационных, телеметрических, радионавигационных систем. Она использует специфические методы радиоприема, анализа сигналов и пеленгования источников радиоизлучения. РТР позволяет добывать сведения о расположении и типах РЛС, радиомаяков и радиостанций, и зонах их действия.

2.РЛР - основной вид активной разведки. Она предназначена для добывания информации с помощью специальных РЛС. Излучаемые сигналы (РЛС) отражаются от разведываемых объектов (целей) и поступают обратно в приемное устройство РЛС. Т.о., отраженные ЭМ волны являются носителями искомой информации. Радиолокаторы в состоянии практически мгновенно, независимо от метеоусловий и времени суток, обнаружить объекты, вести обзор, контроль выбранного пространства, устанавливать местонахождение целей, их типы, вычисляет параметры движений.

3.ЛР добывает информацию с помощью локаторов. Лазерная локационная система использует оптические сигналы и работает в импульсном режиме зондирования. Их важным достоинством является возможность высокоточного оперативного измерения угловых координат и дальности до цели при сравнительно небольших габаритах и массе системы. Лазерное устройство позволяет в определенных условиях прослушивать переговоры ведущиеся в помещениях.

4.ИК разведка - особый вид РЭР. Добывает сведения об объектах по их ИК излучению с помощью ИК приборов. Этот вид разведки широко применяется в воздушной и космической разведке. В зависимости от используемой аппаратуры ИК разведка может носить как пассивный так и активный характер. При активном виде разведки ИК лучи используются для подсветки разведываемых объектов. Пассивный вид - ИК устройства принимают тепловое излучение от объектов .

5.Телевизионная разведка - пассивный вид РЭР. Предназначена для получения сведений с помощью теле-

визионной разведывательной аппаратуры. Может действовать с аппаратурой ИК разведки. Недостаток телевизионной и фото разведки - невозможность круглосуточного использования.

Технические средства РЭР по принципу действия делятся на 2 группы: 1. Пассивные

Средства, которые добывают информацию благодаря приему сигналов излучаемых радиоэлектронными средствами противника (радио, радиотехническая, телевизионная).

2. Активные Средства, которые используя свои собственные источники радиоизлучения получают информацию путем

приема и фиксации сигналов отраженных от объектов съема информации.

ИК разведка может быть и активной и пассивной. Пассивная - когда используются естественные источники ИК излучения. Активные - при применении специально созданных устройств теплового излучения для подсветки исследуемых объектов .

Современная РЭР состоит из 2 основных частей:

1.

2. Разведка изображений (образов самих объектов).

Важнейшим показателем высокой эффективности разведки РЭ устройств и устройств защиты является обеспечение максимальной вероятности обнаружения и фиксации разведываемых сигналов микросекундной длительности. Изыскиваются и реализуются новые технологические решения для практически мгновенного измерения несущей частоты принимаемых сигналов еще меньшей длительности - порядка наносекунд. Автоматизация процессов поиска, обнаружения и идентификации разведываемых сигналов и изображений занимает основное место при создании электронных многофункциональных систем разведки. Для достижения этой цели решающее значение приобретает использование ЭВМ. Это позволяет резко ускорить обработку огромных потоков разведывательной информации, обеспечить выдачу ее на соответствующие индикаторы, регистрирующие устройства, а также автоматизировать управление основными элементами РЭР и РЭЗИ. Все это позволяет значительно сократить время ЗИ от несанкционированного доступа. Широкое применение в системах РЭР и РЭЗИ нашли достижение современной радиоэлектроники, что позволило существенно уменьшить массу и габариты этих устройств.

2

охрана территорий и зданий охрана внутренних помещений

охрана оборудования и наблюдение за ним контроль доступа нейтрализация излучения и наводок

создание препятствий визуальному наблюдению противопожарная защита

Среда в которой распространяются ЭМ волны вызывает их поглощение, отражение, рассеивание меняет характер поляризации, искажает амплитудные и частотные характеристики передаваемых сигналов. Поэтому особенности распространения ЭМ волн должны тщательно учитываться при создании и эксплуатации технических средств РЭР и защиты.

Физические средства ЗИ

Средства защиты - препятствия для нарушителей на путях к защищаемым данным. Физические средства ЗИ выполняют:

1.

2.

3.

4.

5.

6.

7.

8. блокировка действий нарушителя Для предотвращения проникновения нарушителя на охраняемые объекты применяются следующие устройст-

ва: СВЧ, УЗ, ИК системы. Они предназначены для обнаружения движущихся объектов, определения их размеров, скорости и направления перемещения. Принцип их действия основан на изменении частоты отраженного от движущегося объекта сигнала (эффект Доплера). УЗ и ИК применяются в основном внутри помещений, а СВЧ - для охраны территорий и зданий. Лазерные и оптические системы работающие в видимой части спектра основаны на принципе пересечения нарушителем светового луча. Применяются в основном в зданиях.

9. лазерные оптические системы

10. кабельные системы

11. системы защиты окон и дверей

Классификация основных физических средств ЗИ и выполняемых ими функций

-Механические преграды

-Специальное остекление

-Сейфы и шкафы

-Замки

-Датчики

-Теле и фото системы наблюдения

-Лазерные оптические системы

-Акустические системы

-Устройства маскировки

-Кабельные системы

-Идентифицирующие устройства

-Устройства пространственного зашумления

-Устройства пожаротушения, датчики огня и дыма

Кабельные системы используются для охраны небольших объектов, а также оборудования внутри помещений. Они состоят из заглубленного кабеля окружающего защищаемый объект и излучающего радиоволны. Приемник излучения реагирует на изменение поля, создаваемого нарушителем.

Системы защиты окон и дверей - в основном от подслушивания.

Для защиты от перехвата ЭМ излучения применяется экранирование и зашумляющие генераторы излучения.

Акустика

Определения

Звук распространяется в виде переменного возмущения упругой среды, т.е. в виде звуковых волн.

Звуковые колебания – колебательные движения частиц среды под действием этого возмущения. Пространство, в котором происходит распространение этих волн, - звуковое поле. Если источник возмущения известен, то пространство, в котором могут быть обнаружены звуковые колебания, создаваемые этим источником называется звуковым полем данного источника звука.

Звуковые колебания в жидкой и газообразной средах – продольные, в твердых телах – поперечные и продольные. Направление распространения звуковой волны – звуковой луч.

Поверхность, соединяющая все смежные точки поля с одинаковой фазой колебаний частиц среды называются фронтом волны. Фронт перпендикулярен лучу. Фронт имеет сложную форму, но в практических случаях ог-

3

раничимся рассмотрением 3-х видов фронтов: плоский, сферический и цилиндрический. В газе скорость звука

зависит от плотности и статического атмосферного давления C	PАС	;	CP C	- коэф. адиабаты.
				V

Для газов 1,668 1,28 , для воздуха 1,402 при температуре 15 градусов (н.у.). В жидких и твердых материа-

аргон метан

лах скорость звука определяется плотностью материала и модулем упругости (объемного сжатия):

С E ; E – модуль упругости, E=B – модуль упругого сжатия

При изменении температуры и высоты скорость звука меняется. Для колебаний с периодом Т λ=сТ. Частоты акустических колебаний изменяются в пределах 20 Гц – 20 кГц и называются звуковыми. Меньше 20 Гц – инфразвук, больше 20 кГц – ультразвук. Звуковые частоты делятся на низкие, средние и высокие. Примерная граница: 200 – 500 Гц / 2 – 5 кГц. Длина волны от 3,43 см, до 11,4 м.

Линейные хар-ки звукового поля

К линейным хар-кам относятся звуковое давление, смещение частиц среды, скорость колебаний и акустическое сопротивление среды. Звуковое давление – разность между мгновенными значениями давления в т. среды при прохождении через нее звуковой волной и статическим давлением в той же т. В момент уплотнения P>0, в момент расширения P<0. Звуковое давление оценивают по амплитуде или эффективному значению. В системах связи, вещания звуковое давление ≤ 100 Па.

Смещение – отклонение частицы среды от ее статического положения под действием проходящей звуковой волны. Если смещение происходит по направлению звуковой волны, то знак +, иначе -. Скорость колебания – скорость движения частиц среды под действием проходящей звуковой волны V=dU/dt (U – смещение).

Удельное акустическое сопротивление δ=P/V. Оно определяется свойствами среды и материала и условиями распространения волны. В общем случае а iq - комплексная величина.

Энергетические хар-ки звукового поля.

Интенсивность звука (сила звука) – кол-во энергии, проходящей в 1 времени через 1 площади перпендикулярно направлению распространения [Вт/м2]:

					1	T
				I		PV dt.
					T
						0
Для синусоидальных колебаний I связано со звуковым давлением и скоростью колебаний следующим соот-
ношением:			p 2	cos
I 0,5 pm Vm cos PЭVЭ cos						2	а .	- сдвиг фаз между звуковым давлением и
			Э		VЭ
скоростью колебаний, tg	q	.
	а
							E	I		P 2
Плотность энергии – кол-во звуковой энергии в 1 объема.										Э	.
								c		c 2

Уровни

В акустике и электросвязи за уровень какого-либо параметра принимают величину, пропорциональную лога-

	рифму относительного значения этого параметра.	N Э	10 lg	k	Э	– для энергетических параметров,
				k0Э

	N Л	20 lg	k	Л	– для линейных параметров.	k0	- условное значение параметра, соответствующее некоторо-
			k0 Л

му, принятому за нулевой уровень. Изменение энергетического параметра в 2 раза соответствует изменению на 3дБ. Изм-е линейного в 2 раза – на 6 дБ. Если даны 2 уровня и надо найти суммарный уровень, то находят разность между уровнями и к большему уровню добавляют поправку.

Акустические уровни

За условное нормированное значение интенсивности звука принята интенсивность, равная 10-12 Вт/м2 Тогда

	абсолютный уровень интенсивности в дБ: L		10 lg	I	10 lg	I	10 lg I 120 .
		I		I 0		10 12

4

Уровень по звуковому давлению для воздуха определяется по величине, соответствующей нулевому значе-

нию уровня интенсивности: L		20 lg	P	20 lg	P	20 lg P 94 .
	P				2 10 5
			P
			Э

Уровень по плотности энергии в дБ для воздуха принято определять относительно плотности, соответствующей уровню интенсивности для скорости звука, равной 333 м/с.

	Плоская волна
Фронт плоской	волны – плоскость. Звуковые лучи идут параллельно друг другу. Энергия не расходится

в стороны. Интенсивность звука не зависит от расстояния, прошедшего волной, если пренебречь потерями на вязкость, турбулентность и молекулярное взаимодействие. Волновое ур-ние для плоской волны:

2 P

2 P

P

x

c 2

,

c 2

ас

,

P

t

t

t 2

x 2

1

c

2

x

. c

Первый член ур-ния – волна, движущаяся в положительном направлении, 2-й член – волна, движущаяся в отрицательном направлении. Типовое частное решение волнового уравнения, для волны, распространяющейся в

положительном направлении можно записать: P Pm exp i t x c Pm exp i t kx . ω – угловая час-

тота колебаний, k – волновое число.

Мат. описание бегущих волн.

Будем описывать волну, распространяющуюся в положительном направлении X со скоростью C. Если это – звуковая волна, то в ней имеются волновые фронты, распространяющиеся в направлении оси Х со скоростью С, и возмущение может быть выражено через происходящие смещения частиц среды U и через давление P. Будем использовать обобщенную переменную y для характеристики возмущения среды. Это возмущение – функция как от времени, так и от координат. Возмущение не обязательно должно быть синусоидальным. Если y=sin x, то синусоидальная волна будет заторможена во времени. Нужно выразить расстояние вдоль оси Х в виде произведения безразмерного сомножителя и угла. Поскольку возмущение периодическое с длиной волны λ, то у=sin 2πx/λ. Представим, что возмущения движутся вдоль Х. Пусть они движутся вправо. Через t контур сдвинется на

расстояние ct. Математическое описание может быть представлено в следующем виде	y sin	2	x ct . То-
гда формула для бегущей синусоидальной волны может быть представлена в	нескольких вариантах:

		x			c
	sin 2

		x			t		sin kx t , где k=2π/λ. Выражение дает наглядное представление о
t	sin 2
					T

сходном характере зависимости бегущей волны от расстояния и времени. По мере продвижения от 0 до длины волны аргумент синуса возрастает от 0 до 2π. То же происходит и стечением времени, когда оно изменяется от 0 до Т.

Сферическая волна

Фронт – сфера, в центре которой – источник колебаний, а звуковые волны, лучи, совпадают с радиусом сферы. Полная мощность звука, исходящая из источника и расходящаяся по всем направлениям, если пренебречь потерями, не изменяется по величине с удалением от источника. Интенсивность звука изменяется по квадратич-

ному закону I I1 r 2 . Звуковое давление для сферической волны с расстоянием уменьшается по гиперболе

P

2 P

2

2 P

2 P

2 P

2

Pас

Pr

1

. Волновое уравнение:

c

c

.

r

2

2

2

2

;

t

x

y

z

При преобразовании координат из прямоугольных в сферические волновое уравнение будет иметь вид:

2 P

2 P

P

r

r

c2

r . Общий вид решения уравнения:

P

1

t

t

. Первое слагаемое соответст-

2

2

t

r

2

r

1

c

c

вует волне, распространяющейся от источника звука, а второе – к источнику. Рассмотрим частное решение для

	P				r				P	exp i t kr .
волны, распространяющейся в положительном направлении. P	1	exp	i t						1
	r								r
					c

5

V

r

1

Скорость колебания частиц: V

exp

i t

; где ψ – сдвиг фазы между звуковым давлением и

r

c

скоростью колебаний, tg c

r

1

2 r

, V

P1

c cos

.

Rr

1

Чем меньше отношение λ/r, тем меньше ψ. На средних частотах на расстоянии больше 1 метра можно не считаться с ψ.

P

i r

k 2 r 2

kr

c

c

i

V

c i r

k

2

r

2

k

2

r

2

1

1

Pr

c

r

c

kr

c cos

Vm

k 2 2 r 2

1 k 2 r 2

I

P 2

P 2

m

э

2

c

c

Удельное акустическое сопротивление для плоской волны, чисто активное VP c . Интенсивность зву-

ка в плоской волне I	P U	m		P 2
	m			Э	.
	2			c

Цилиндрическая волна

Фронт – круглая цилиндрическая форма. Причем ось цилиндра совпадает с осью источника звука, а радиус цилиндра совпадает со звуковыми лучами.

Интерференция звуковых волн

Интерференция звуковых волн возникает при одновременном распространении двух или нескольких волн в различном направлении (наибольший интерес – в противоположных направлениях. Тогда образуется стоячая волна с кучностями и узлами.) Расстояние между соседними кучностями также как и между соседними узлами равно 0,25λ. В кучностях давления амплитуда звукового давления равна удвоенной амплитуде бегущей волны, а

вузле – нулю. (РИСУНКИ)

Встоячих волнах поток энергии равен 0, поэтому такие волны характеризуют или плотностью энергии, или квадратом звукового давления. При неодинаковых амплитудах прямой и обратной волн стоячая волна образуется из обратной и части прямой волны, по амплитуде равной амплитуде обратной волны. Остальная часть прямой волны образует бегущую волну. Ее амплитуда Pбег=Рпр-Робр. В кучности, прямой и обратной, амплитуды обеих

	волн складываются Pmax Pпр	Pобр , в узле – вычитаются Pmin		Pпр Pобр . Если известны значения ампли-
			Pобр		P	P		1	.	P
	туд давлений в кучности и узле, то можно найти отношение				max	min				min	- коэффи-
			P		P	P		1		P
			пр		max	min				max

циент бегущей волны.

Поток энергии создается только бегущей волной. Плотность энергии состоит из плотности бегущей и стоячей волн.

Отражение звука

Если звуковая волна встречает на своем пути какое либо препятствие или другую среду с другими параметрами, то происходит отражение звуковой волны. Законы отражения звуковой волны аналогичны законам отражения световых волн.

Эффективность отражения характеризуется коэффициентом отражения. В акустике коэффициентом отражения звуковой волны называют отношение интенсивности отраженной волны к интенсивности падающей:

= Iотр/Iпад.

Эффективность отражения зависит от степени различия акустического сопротивления обеих сред. Если падающая волна имеет звуковое давление Рпад, то звуковое давление в отраженной волне:

Ротр = Рпад( пад – отр)/( пад + отр),

где – удельное акустическое сопротивление (УАС).

Ротр = Рпад ехр ( ),

- модуль коэффициента отражения по давлению, - сдвиг фаз в волнах падания и отражения.

6

При отражении получается сдвиг фаз между звуковыми давлениями падающей и отраженной волн. Если сопротивление обоих сред активны, то сдвиг фаз получается равным 0 или 180 . Нулю когда отр> пад, 180 когдаотр< пад. Если одно или оба УАС имеют реактивное составляющую, то сдвиг фаз может быть от 0 до 180 .

Коэффициент отражения по интенсивности через : отр = (( пад – отр)/( пад + отр))2 = 2 – комплексное чис-

ло.

Коэффициент отражения зависит от угла падения звуковой волны, поэтому в таблицах обычно приводят величины диффузных коэффициентов отражения, измеряемых для все возможных углов падения волн. Если сдвиг фаз по давлению при отражении равен 0 , то у границы раздела двух сред получается пучность звукового давления, и узел скорости колебания.

Преломление звука

Звуковая волна, падая на поверхность раздела двух сред, частично проходит в другую среду. При этом происходит преломление волны. Отношение угла падения к углу преломления определяется отношением скоростей распространения звуковых колебаний в этих средах:

sin 1/sin 2=c1/c2

Если обеих сред близки друг к другу, то почти вся энергия перейдет из одной среды в другую, а если при этом среды будут иметь разные скорости звука, то из таких материалов можно сделать акустическую линзу.

Если среда имеет переменные параметры (атмосферное давление, плотность напряжения и др.), то происходит изгиб звуковой волны. При этом постепенном увеличении скорости звука с высотой, звуковой луч будет изгибаться вниз. Изгиб звукового луча всегда происходит в сторону уменьшения скорости звука. На изгиб звуковой волны сильно влияют ветер и потоки воздуха в различных направлениях.

Дифракция волн

Если размеры препятствия имеют величину меньше длину звуковой волны или волна падает близко к краю препятствия (по сравнению с ), то волна дифрагирует вокруг препятствия.

Затухание волн

В реальных средах звуковые волны затухают вследствие вязкости среды и молекулярного рассеяния. Звуковые волны затухают при распространении вдоль поглощающей поверхности, при этом чем больше коэффициент поглощения этой поверхности, тем больше затухания они вносят в распространяющуюся волну. В зависимости от частоты значение растет с возрастанием длины волны. При распространении звука на большие расстояния (>1км) кроме классического затухания, связанного с вязкостью среды и молекулярным затуханием более существенную роль играет затухание, из-за турбулентности воздуха. Это затухание определяется потоками воздуха в вертикальном направлении из-за разности температуры земли и воздуха, разности давлений на высоте.

Основные свойства слуха

Для правильного проектирования и эксплуатации средств связи, звукоусиления, записи и воспроизведении звука, необходимо знать свойства слуха человека. Тем более, что орган слуха человека является свое образным приемником звуков, резко отличающихся от приемников звука создаваемого человеком. Ухо человека обладает свойствами частотного анализатора, с дискретным восприятием по частотному и динамическому диапазонам. Все эти операции осуществляются во внутреннем ухе, в так называемой улитке. В улитке находятся основная мембрана, которая состоит из большого числа волокон, слабо связанных между собой. Вдоль основной мембраны расположены нервные окончания, каждая из которых возбуждается от прикосновения к ним волокон основной мембраны (этих окончаний > 2000), посылая в слуховой центр мозга электрические импульсы. Эти импульсы подвергаются сложному анализу, в результате которого человек определяет передаваемое сообщение.

Использование вокодеров

Применение вокодеров дает повышение разборчивости речи в условиях помех, так как сигналы передаются в телеграфном режиме со специальным помехоустойчивым кодированием. Речь, передаваемая с помощью вокодерной связи идет с высоким уровнем и характеризуется разборчивостью даже при наличии сильных помех. Импульсная форма сигнала дает возможность засекречивания речи. Такую закодированную речь невозможно раскодировать современными методами. Кроме того, вокодерная связь дает возможность значительного увеличения числа каналов в системах связи. Для обычного речевого сигнала требуется пропускная способность 64 кбит в секунду, что в 25 раз больше, чем для полосного вокодера, и в 50 раз больше, чем для фонемного вокодера. Вокодерную связь в США применяют с 1959 года в военной авиации. В наст. время выпускают аппаратуру для коммерческой связи. Выпускаются на новой элементной базе с цифровыми методами анализа и синтеза речевого сигнала.

Вокодер – устройство, в передающей части которого из речевого сигнала выделяются параметры, определяющие информативность речи. К этим параметрам относятся: спектральная огибающая звуков речи и параметры основного тона, т.е. произношение звуков речи, медленно изменяющихся во времени. Параметры основного

7

тона управляют частотой генератора основного тона, находящегося в приемной части вокодера. Напряжение от генератора, создающего импульсы, сходные с импульсами гортани, подается на сложный фильтр, имитирующий акустическую систему речевого тракта для звонких звуков. При синтезе глухих звуков речи генератор создает шумовое напряжение, подаваемое на фильтры, имитирующие систему речевого тракта для глухих звуков.

Параметрами этих фильтров и уровнем звуковой речи управляют характеристики, выделенные из речи на передающем конце вокодера. В результате восстанавливается спектральная огибающая речевого сигнала. Качество

иразборчивость – высокие.

Взависимости от типа выделяемых параметров сигналы различают полосные, гармонические, формантные и фонемные вокодеры. В полосных выделяется комплекс ординат спектра в узких полосках. В гармонических – коэффициент Фурье от разложения спектральной огибающей в функцию гармоник. В формантных выделяются частоты и амплитуды формант. В фонемных – произнесенный звук. Т. к. эти параметры изменяются во времени со скоростью произнесения звуков речи 8-10 дБ/с, то частотный диапазон каждого параметра <= 20-25 Гц. Во всех типах вокодерах выделяется параметр – частота основного тона. В полосных вокодерах берут 12-18 полос. Динамический диапазон каждого параметра <= 25 дБ. При переводе параметров в импульсную форму достаточен 4-хзначный код (16 значений по 1,5 дБ), а во времени 50 отсчетов в секунду.

Необходимая пропускная способность – 3600 импульсов в секунду. В гармонических вокодерах скорость передачи меньше. В наиболее распространенном типе формантных вокодеров выделяют 4 формантных частоты и 4 формантных уровня. Динамический диапазон не больше 20 дБ. Достаточен 3-значный код (8 значений по 2,5 дБ)

и40 отсчетов в 1 секунду. Пропускная способность – 900 импульсов секунду и 240 импульсов в секунду на основном тоне.

Для фонемного вокодера – 300 импульсов в секунду, но теряется информация об индивидуальности говорящего.

(РИСУНОК)

На рисунке приведен схематический разрез улитки основной мембраны, приведены частоты, на которые отзываются эти волокна. Частоты ниже 60 Гц отзываются по субъективным гармоникам.

Разработана эквивалентная электрическая схема – модель звукового анализатора. Модель – 140 звеньеврезонаторов, соответствующих волокнам мембраны. Посл. индуктивности соответствуют в модели соколеблющейся массе лимфы. Ток в параллельных звеньях соответствует скорости колебаний волокон. Разрешающаяся способность слухового анализатора такова, что полоса пропускания резонатора слухового анализатора составляет для моноурального слушания - 50 Гц на частоте 300 Гц, 60 Гц на 1000 Гц, 150 Гц на 3000 Гц. Эти полосы пропускания – критические полоски звука. Критическими полосками пользуются при расчете разборчивости речи, при расчете громкости шума. Воспринимаемый ухом диапазон: 16 - 20 Гц – 16 кГц - 20 кГц. В этом диапазоне человек запоминает только несколько сотен градаций частоты, причем число этих градаций уменьшается с уменьшением интенсивности звука и в среднем составляет 150. Соседние градации в среднем отличаются друг от друга по частоте приблизительно на 4%. Человек может различить изменение частоты на 0,3% на средних частотах при условии сопоставления двух тонов, непосредственно следующих друг за другом. При медленном изменении частоты тона по синусоидальному закону слух обнаруживает эти изменения, когда девиация частоты составляет около 2% от ширины частотной группы на низких частотах – 100 Гц, минимально ощущаемая девиация – 1,8 Гц. На частотах, больших 500 Гц – 2%. Построены зависимости минимально ощущаемой девиации тона от частоты модуляции для разных частот тонов и уровня звука по интенсивности 70 дБ. Субъективную меру частоты колебания звука называют высотой. Высота тона на низких и средних частотах до 100 Гц для чистого тона почти пропорциональна частоте. На высоких частотах зависимость близка к логарифмической. Условились высоту тона с частотой 1000 Гц и уровнем ощущения 40 дБ считать равной 1000 мел. Для звука, состоящего из ряда составляющих, его высота связана с частотами и интенсивностями составляющих сложным образом. Для частоты часто применяют логарифмический масштаб. За 1 принимают октаву и ее доли. Октава – частотный диапазон, для которого отношение крайних частот равно 2. Октавы делят на ½ и 1/3.

Нелинейные свойства слуха

Под воздействием звука, имеющего одну частотную составляющую (чистый тон) с уровнем 100 дБ человек слышит тон 2-й гармоники, как бы имеющей уровень 88 дБ и слышит тон 3-й гармоники с уровнем 74 дБ. Наличие этих гармоник в ощущении можно проследить с помощью опытов. 2-я и 3-я гармоники – субъективны. При слушании двух чистых тонов, с частотами, не попадающими в одну и ту же критическую полоску слуха, человек часто слышит тон разностной частоты с достаточно высоким уровнем ощущения и с меньшим уровнем ощущений слышит тон суммарной частоты. Например, если уровень каждого из чистых тонов по 60 дБ, то уровень разностного тона – 40 дБ. При уровнях, составляющих 80 дБ, уровень разностного тона – 80 дБ.

LP L1 L2 80 . При воздействии сложного тона, имеющего большое число гармоник, комбинационные со-

ставляющие будут иметь частоты, равные частотам гармоник. При воздействии звука, состоящего из тонов с некратными составляющими, получается засорение спектра многочисленными комбинационными частотами, несовпадающими по частоте с исходными.

8

Восприятие по амплитуде

Порог слышимости

Если волокно основной мембраны при своих колебаниях не достигает до ближайшего к нему нервного окончания, то человек такой звук не слышит. При увеличении амплитуды колебаний волокна оно касается нервного окончания и происходит раздражение. Нервное окончание начнет посылать электрические импульсы в слуховой центр мозга и звук будет услышан. Этот скачкообразный переход из неслышимого состояния в слышимое называется порогом слышимости. Абсолютное значение слухового ощущения на пороге слышимости мало, но имеет вполне конечное значение. Порог слышимости зависит от частоты. На рисунке приведены зависимости порогов слышимости, причем по y отложены уровни интенсивности звука (уровни звукового давления), по х – частоты. 1) Частотная зависимость уровня порога слышимости для биноурального слушания, когда давление создается множеством источников звука в горизонтальной плоскости вокруг головы человека. 2) Биноуральное слушание, когда источник звука перед слушателем (фронтальный порог). 3) Моноуральное слушание.

(РИСУНОК)

Часто приходится иметь дело с различными зависимостями порога слышимости от частоты. Разница между ними обусловлена разницей в условиях измерений порога. Так, кривая 2 дана для случая измерения уровня звукового тона при слушании двумя ушами. Кривая 3 дает порог слышимости для уровней звука, измеренных около ушной раковины при слушании через телефон. Кривая 2 представляет порог для фронтального падения звуковой волны, а кривая 1 – для всестороннего падения (диффузный порог).

Уровень ощущений

При плавном увеличении интенсивности звука возле пороговой слуховые ощущения нарастают скачками по мере увеличения числа возбужденных нервных окончаний. Значения скачков могут быть найдены по графикам зависимости относительных изменений интенсивности звука от частоты тона. Увеличение уровня интенсивности тона в конце концов приводит к появлению ощущения боли (болевой порог). Порог на максимуме составляет по интенсивности 1 Вт/м2, тогда как минимальный порог слышимости на частоте 3 кГц – 10-13 Вт/м2. Т.о., динамический диапазон по уровню звука от порога слышимости до болевого порога – 130 дБ. Между болевым порогом и порогом слышимости несколько сотен элементарных скачков ощущения, причем на низких и высоких частотах незначительно меньше, чем на средних. Дискретное восприятие звука по частоте и амплитуде дает ≈22000 элементарных градаций во всей области слухового восприятия. Одинаковое относительное изменение раздражающей силы вызывает одинаковые приращения слухового ощущения. Слуховые ощущения пропорцио-

нальны	логарифму	раздражающей силы E 10 lg	I	, где Е – уровень ощущения в дБ.
			I 0
E LI	LПС , LI	10 lg I 120 .

Таким образом, уровень ощущения – уровень над порогом слышимости.

Уровень громкости

Условились за уровень громкости любого звука принимать уровень в дБ равногромкого с ним тона частотой 1 кГц. За 1 уровня громкости принята единица фон. Обозначается LG фон=LI 1000 Гц, дБ. Чтобы определить уровень громкости нужно взять чистый тон 1 кГц и изменять его уровень интенсивности до тех пор, пока его громкость не будет на слух одинаковой с громкостью определяемого звука. При этом искомая величина громкости этого звука в фонах будет численно равна уровню интенсивности эталонного звука.

Эффект маскировки

В условиях шума и помех порог слышимости для приема слабого звука возрастает. Это повышение порога слышимости – маскировка. Величина маскировки определяется величиной повышения порога слышимости для принимаемого звукового сигнала: M=Lпсш-Lпст. При повышении порога слышимости соответственно изменяется

	и уровень ощущения. Уровень ощущения в условиях шума EШ 10 lg				I	, где I ПСШ	- интенсивность зву-
				I	ПСШ
	ка порога слышимости в условиях шума. EШ LI	LПСШ ET	M ,		M LПСШ LПСТ , М – маскировка.

Уровень ощущения звукового сигнала изменяется при изменении уровня шумовых помех, даже при неизменном уровне самого сигнала. Низкочастотные тона сильнее маскируют высокочастотные, чем наоборот. При разности частот около нескольких 10-ков Гц величина маскировки начинает уменьшаться из-за биений и при равенстве частот она имеет минимум. Такие же минимумы наблюдаются и на частотах, кратных частоте маскирующего тона. Это вызывает появление биений между маскирующим тоном и его субъективными гармониками.

9

Кривые маскировки для ряда частот и их уровней

По оси Х отложена частота маскируемого тона, по оси ординат – величина маскировки. Параметры кривых – уровень ощущений маскируемого тона.

(РИСУНОК)

Громкость сложных звуков

Если тональные или шумовые составляющие попадают в одну и туже частотную группу, то их суммирование происходит по интенсивности. Громкость такого сложного звука определяется суммарной интенсивностью, т.е. суммарный уровень для двух составляющих с одинаковым уровнем будет на 3 дБ выше и на столько же увеличится уровень громкости (если уровень составляющих выше 70 дБ). Если несколько тонов или узкополосных шумов расположены на частоте так далеко друг от друга, что их взаимной маскировкой можно пренебречь, то их суммарная громкость будет равна сумме громкостей каждой из составляющих. Если составляющие сложного звука расположены по частоте близко друг к другу и наблюдается взаимная маскировка между ними, то громкость такого сложного звука будет меньше суммы громкостей всех составляющих.

Первичные акустические сигналы и их источники

К первичным сигналам относят сигналы, создаваемые речью, а также шумовые сигналы. Акустические сигналы относятся к случайным процессам. В музыкальных сигналах очень большие участки могут иметь периодический характер, но в среднем для больших интервалов времени и музыкальные сигналы могут считаться случайными. Поэтому акустические сигналы определяют распределениями по времени, по уровню и частоте, средним значением по уровню, динамическим диапазоном, формой спектра, частотным диапазоном и временем корреляции отдельных участков сигнала.

Динамический диапазон и уровни

В процессе передачи речевой информации уровень акустического сигнала непрерывно изменяется . Диапазон изменения может быть довольно широким. На рисунке показана зависимость уровней сигнала от времени, называемая уровнеграммой. Она представляет собой временную зависимость уровня.

(РИСУНОК)

 - динамический диапазон, П - пик-фактор, ω – вероятность превышения заданного уровня.

С определенной степенью точности можно считать, что уровень сигнала изменяется по случайному закону, поэтому его можно характеризовать интегральным распределением и средними значениями для этого распределения. Установлено, что среднее распределение уровней, полученных для первичных речевых сигналов, близко к нормальному. Введено понятие квазимаксимального уровня сигнала. Для этого уровня относительная длительность существования уровней не ниже Lмакс, равна 1% для речевых и информационных сигналов. Квазиминимальный уровень – для этого уровня относительная длительность существования уровней выше Lмин составляет 99 %. Что адекватно относительной длительности существования уровней не выше Lмин, равной 1-2 %.

Разность между квазимаксимальным и квазиминимальным уровнями называется динамическим диапазоном речевого сигнала. Т.о. , находят динамические диапазоны для ряда первичных акустических сигналов, включая речевой. Вещательный диапазон очень широк, поэтому в большинстве случаев не может быть передан через тракты вещательных каналов без предварительной обработки, например сжатие или компрессия динамического диапазона. Речевой сигнал имеет широкий динамический диапазон по отношению к трактам связи, поэтому при передачи его также приходится предварительно сжимать.

Поскольку уровень акустического сигнала изменяется в широких пределах, то введено понятие ср. уровня. Ср. уровень интенсивности акустического сигнала можно определить или исходя из того, как человек его ощущает, или как он воспринимается соответствующей аппаратурой: т.е. как среднестатистический для участков и интервалов времени, достаточно длительных, или как средний уровень, измеряемый прибором, имеющим большую постоянную времени (порядка 5 с.). Для первичных сигналов необходимо знать эти средние значения, т. к. первичный сигнал в системах связи принимается и человеком и аппаратурой. Все эти средние значения можно измерить, если соответственно подобрать постоянную времени. Для получения усредненного значения постоянную времени берут порядка 15 с. Пик-фактор – разность между квазимаксимальным и усредненным за длительное время (около 15 с. для речи) уровнями. Пик-фактор показывает, на сколько ниже надо взять усредненный уровень передачи по сравнению с уровнем ограничения в канале, чтобы не перегружать канал.

1

t0

t

0

t

 Lmax Lmin

П Lmax Lср

I ср

f t exp

dt

Т

T

f(t) – временная зависимость интенсивности сигнала. L

10 lg

I ср

10 lg I

120

ср

ср,Вт

I

0

В таблице приведены данные для речи пиковой мощности и пик-фактора.

10