Защита информации

ной частотной области и в области изменения интенсивности звука, разли­ чать его по силе, высоте тона и окраски, а также узнавать направление на источник звука.

Чувствительность нашего органа слуха превосходит во многих отно­ шениях свойства лучшей акустоэлектрической техники. Например, порог слышимости лежит настолько низко и рационально, что его дальнейшее снижение может привести к восприятию шумов в системе кровообращения и пищеварения, что, естественно, было бы ненормально.

Анатомически наше ухо состоит из трех составных частей - наружное ухо, среднее ухо, внутреннее ухо (рис.2.3).

Звук, воспринимаемый слуховым каналом уха, вызывает колебания барабанной перепонки, передающиеся затем на слуховые косточки. Слухо­ вые косточки образуют рычаг, один конец которого в форме улитки обра­ зует звуковые колебания. К улитке подходят нервные волокна, связанные со слуховым нервом. Кортиев орган, в котором сосредоточены нервные волокна, находится в спиральном лабиринте улитки.

Следует отметить, что человеческая барабанная перепонка работает как приемник давления (у некоторых обитателей животного мира как при­ емник градиента давления (кузнечик, саранча) или как приемник колеба­ тельной скорости (некоторые членистоногие).

Одно из основных свойств слуха - возможность определения направ­ ления звука в горизонтальной и вертикальной плоскостях и оценки рассто­ яния до источника звука. Наиболее точно человек определяет направление в горизонтальной плоскости. Достигается это благодаря бинауральному эффекту - звуки от одного и того же источника к правому и левому уху приходят неодинаковыми. Они могут отличаться по интенсивности, фазе колебания и времени прихода. Эти различия приводят к возникновению в центральной нервной системе психофизиологического суждения (представ­ ления) о направлении звука.

Главную роль в локализации направления на источник звука создают частоты от 1000 до 3200 Гц. Для звука более низкой частоты (200 - 300 Гц) определить направление прихода звука трудно, так как длина звуковых волн на этих частотах велика и они, свободно огибая голову, создают примерно

одинаковые звуковые давления у левого и правого уха.
Механические колебания, которые	в слуховом	канале	превращаются
в электрические, приводят к слуховому	восприятию,	если их	частота лежит

в диапазоне 16 - 20000 Гц и эффективное звуковое давление на частоте 1000 Гц находится между 2 - 10-5 Па и 20 Па (рис.2.1 и 2.2).

Величина звукового давления, при которой начинается слуховое воспри­ ятие, зависит от частоты. Она минимальна в области между 1000 и 6000 Гц.

В соответствии с законом ощущения звука, сформулированным Вебе­ ром и Фехнером, одинаковые относительные изменения раздражающей силы вызывают одинаковые приращения слухового ощущения. Т.о. слуховое ощу­

81

щение пропорционально логарифму раздражающий силы. Уровень ощу­ щения - Е равен:

Е= 10lgI/Iпс;

Где Iпс-раздражающая сила на пороге слышимости. E=N1-Nпс;

Где N1=10lgl+120-уровень интенсивности звукаI,Вт/м2.

Т.о. уровень ощущения представляет собой уровень над порогом слы­ шимости.

Т.к. уровень ощущения неточно характеризует субъективное ощуще­ ние, в акустике применяется понятие уровня громкости звука.

Речевая информация.

Особенности образования речевого сигнала.

Основное назначение речи - передача информации от человека к чело­ веку как при непосредственном общении, так и с помощью средств связи.

Речь в акустике, последовательность звуков речи, произносимых, как правило, слитно, с паузами только после отдельных слов или групп звуков. Слитность произношения звуков речи, вследствие непрерывности движе­ ния артикуляционных органов речи вызывает взаимное влияние смежных звуков друг на друга. Артикуляционные органы имеют неодинаковые раз­ меры у разных людей, и каждому человеку свойственна своя манера произ­ несения звуков речи, поэтому звуки речи каждого человека индивидуаль­ ны.

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 ха­
рактеристикой	звукового состава	является частота встречаемости

в речи различных звуков и их сочетаний;

-физическая характеристика - величины и зависимости, характери­ зующие речь как звуковое явление.

Звуки речи, объединяясь в определенные физические комбинации, образуют некоторые смысловые элементы, которые также различаются и чисто физическими параметрами - мощностью, звуковым давлением, час­ тотным спектром, длительностью звучания.

Человеческая речь представляет собой сочетание определенных пос­ ледовательностей звуков, характерных для данного языка. Звуки произно­ сятся, как правило, слитно, имея паузы только после групп звуков или от­

82

дельных слов. Количество информации, передаваемой с помощью речи, определяют сочетания звуков - слова и сочетания слов - предложения. При всем разнообразии звуков все они являются физическими реализациями (произнесенные человеком) небольшого числа фонем. Фонема - это некая наименьшая типизированная единица звучания данного языка, с помощью которой различаются и отождествляются слова и их словосочетания. В рус­ ской речи их насчитывается 41: 6 гласных («а», «о», «у», «э», «и», «ы»), 3 твердых согласных («ш», «ж», «ц»), 2 мягких («ч», «й») и 15 в твердом и мягком видах; звуки речи «я», «ю», «е» и «ё» относятся к составным («йа», «йу», «йэ», «йо») и т.д.

Как видно, фонем несколько больше, чем букв, так как многие из со­ гласных букв соответствуют двум звукам - твердому и мягкому, в то же время почти половина гласных букв представляет из себя двойной звук («й»+гласный). Известно, что звуки речи неодинаково информативны. Так, гласные звуки содержат малую информацию о смысле речи, а согласные более информативны (наиболее информативны глухие согласные). Напри­ мер, в слове «посылка»: последовательность «о.ы.а» ничего не говорит, а - «п.с.л.к» дает почти однозначный ответ о смысле слова.

Существует непосредственная связь между разборчивостью речи, ус­

ловиями приема	и характеристиками трактов передачи (утечки информа­
ции). Указанную	связь удалось установить при помощи формантной тео­

рии, разработанной Флетчером и Коллардом.

Речевой тракт человека представляет собой сложный акустический фильтр с рядом резонансных полостей, создаваемых артикуляционными органами речи, поэтому выходной сигнал, т.е. произносимая речь имеет спектр с огибающей сложной волнообразной формы (рис.2.4).

Области максимальной концентрации энергии в спектре звука речи называются формантами, а провалы - антиформантами. В речевом тракте для каждого звука речи есть свои резонансы и антирезонансы (рис.2.4, для буквы “з”). Их расположение зависит как от положения звука в слове или фразе , так и от индивидуальных особенностей (Л.94) артикулярного аппа­ рата человека. Каждый звук имеет несколько формант. Форманты звуков речи заполняют частотный диапазон от 150 до 7000 Гц. Этот диапазон в акустике делят на 20 полос равной разборчивости, при этом вероятность появления формант в каждой полосе равной разборчивости равна 0,05.

При появлении шумов разборчивость уменьшается, что		характеризу­
ется коэффициентом восприятия или коэффициентом	разборчивости-wi.		T.o.
в каждой полосе равной разборчивости вероятность	приема	формант	рав­

на 0,05 wi. Коэффициент разборчивости определяется уровнем ощущения формант Еф=Вр-Вш;

Где - Вр-средний спектральный уровень речи; Вш-спектральный уро­ вень шумов.

83

Для большинства гласных звуков речи характерно свое расположение формант и соотношение их уровней; для согласных важен также ход изме­ нения формант во времени (формантные переходы).

Звонкие звуки, особенно гласные, имеют высокий уровень интенсив­ ности, глухие - самый низкий. Поэтому при речи громкость ее непрерывно изменяется, особенно резко при произношении взрывных звуков. Диапа­ зон уровней речи находится в пределах 35 - 45 дБ.

Объективные измерительные и расчетные оценки разборчивости речи проводятся с помощью вычисления разборчивости формант. Доказано, что восприятие человеком формант обладает свойством аддитивности, т.е. каж­ дый участок речевого диапазона вносит свой вклад в общую разборчивость речи. Формантная разборчивость (А) равна:

где - вклад i-ой полосы частот в разборчивость,

р - коэффициент восприятия форманты, который зависит от отноше­ ния сигнал/помеха в i-ой полосе (S/N),

к - число полос речевого диапазона.

Деление речевого диапазона на 20 полос, вносящих в разборчивость одинаковые вклады, на практике неудобно, т.к. получающиеся частот­ ные полосы нестандартны. В акустических измерениях используют октав­ ные и третьоктавные частотные полосы. Для октавного анализа вклады

частот русской речи равны следующим		значениям,		приведенным в			табли­
це 2.3.
						Таблица 2.3
Вклады частот русской речи для октавного анализа
Средняя частота октавных полос, Гц	250	500	1000		2000	4000	6000
Разборчивость формант, %	6,7	12,5	21,2		29,4	25,0	5,2

Формантную разборчивость для русской речи в этом случае можно определить из следующего соотношения:

Аф=0,05(1,34W1+2,5W2+4,24WЗ+5,88W4+5W5+1,04W6).

84

Где:

W1 - W6-коэффициенты разборчивости на средних октавных частотах

(таблица 2.3).

Суммарная разборчивость зависит от качественного приема каждой частотной полосы.

Минимальная формантная разборчивость Аф, при которой еще воз­ можно понимание смысла речевого сообщения (суммарная вероятность приема формант) равна 15%.Существует определенная связь между фор­ мантной, слоговой, словесной и фразовой разборчивостью.

Так как важнейшая функция нашего органа слуха состоит в обеспече­ нии общения с помощью речи, слуховые способности органа слуха оцени­ ваются понятностью и разборчивостью речи - “способностью в тихой ок­ ружающей среде слышать предложения и правильно их повторять оцени­ вается как признак нормальной способности слышать связный разговор” (Л. 69). Разборчивость речи при речевой аудиометрии определяется как про­ цент правильно понятых слов, слогов или фраз, отнесенных к общему числу предложенных единиц. Удовлетворительная разборчивость по ISO/TR 3352-

это разборчивость фраз обычной беседы. Между разборчивостью фраз,	с-
лов, слогов существует определенная связь приведенная на рис.2.5.
Возможная дальность распространения речевого сигнала связана	с

“мощностью” его источника - тихая речь, громкая речь, со средним уров­ нем, усиленная техническими средствами.

Уровни речевого сигнала Lsi в октавных полосах в зависимости от интегрального уровня речи Ls приведены в таблице 2.4.

				Таблица 2.4
Номер полосы	Ls=64	Ls=70	Ls=76	Ls=84
речевого	(тихая речь)	(речь со средним	(громкая речь)	(очень громкая
сигнала		уровнем)		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 рас­ стоянии 1м от источника сигнала,дБ.

85

Понятность и разборчивость речи

Понятность речи -основная характеристика, определяющая пригод­ ность канала как для передачи так и для перехвата речи. Непосредственное определение этой характеристики может быть осуществлено статистичес­ ким методом с привлечением диктора и определенного числа слушателей.

Разработан также косвенный метод количественного	определения понят­
ности через ее разборчивость.
Разборчивость - это отношение числа правильно принятых		элементов
речи (слогов, слов, фраз) к общему числу переданных	по каналу	элементов

(слогов, звуков, слов, фраз и т.п.). Так как в качестве элементов речи при­ меняют звуки, слоги, слова и фразы соответственно различают звуковую, сло­ говую, словесную, фразовую, смысловую и формантную разборчивость. Между ними существует статистическая взаимосвязь (таблица 2.5. и рис. 2-

.5.).Все они при испытаниях одной и той же системы будут выражаться раз­ ными численными величинами, так как процент правильных оценок для предвиденного сообщения всегда выше, чем для непредвиденного-степень же предвидения при прослушивании фразы выше, чем при прослушивании отдельных слов.

Разборчивость измеряют при помощи специальной тренированной бригады слушателей путем проведения объективно - статистических экс­ пертиз.

Зависимость между разборчивостью и понятностью речи, приведен­ ная в таблице 2.5, справедлива при приеме самой разнообразной информа­ ции.

				Таблица 2.5
		Разборчивость%
Понятность
	Слоговая(S)	Формантная(Аф)	Словесная(W)	Фразовая(J)
Предельно допустимая-ПД	25-40	15-22	75-87	91,5-96,5
Удовлетворительная-У	40-50	22-31	87-93	96,5-98
Хорошая-Х	50-80	31-50	93-98	98-99
Отличная-О	80 и выше	50 и выше	98 и выше	99 и выше

По формантной разборчивости Аф определяют слоговую S, словесную W, фразовую разборчивость J и понятность речи (таблица 2.5 и рис. 2.5а,б,

в,г).

Понятность речи является фонетической характеристикой разборчи­ вости и определяется в процессе обычных телефонных переговоров для не­ тренированных абонентов.

Градации понятности:

86

-отличная (о) - понятность полная, без переспросов;

-хорошая (х) - возникает необходимость в отдельных переспросах редко встречающихся слов или названий;

-удовлетворительная (у) - трудно разговаривать, необходимы пере­ спросы;

-предельно допустимая (пд) - требуются многократные переспросы одного и того же материала с передачей отдельных слов по буквам

при полном напряжении слуха.

Определить требования к величине W необходимой для выбранной степени защиты акустической информации возможно также из методов оценки качества, понимаемости, разборчивости и узнаваемости( Л.29).

Так в соответствии с ГОСТ Р 50840-95 понимание передаваемой по каналам связи речи с большим напряжением внимания, переспросами и повторениями наблюдается при слоговой разборчивости 25-40%, в случае слоговой разборчивости менее 25% имеет место неразборчивость связного текста (срыв связи). Учитывая взаимосвязь словесной и слоговой разбор­ чивости, можно рассчитать, что срыв связи будет наблюдаться при словес­ ной разборчивости менее 71%.

Задача оценки канала утечки речевой информации и, соответствен­ но, степени ее защищенности как раз и сводится к измерению (например, методом артикуляции) или вычислению разборчивости речи и сравнению значения с требуемым.

Метод артикуляции

Метод артикуляции основан на оценке степени выполнения главного требования, предъявляемого к разговорным трактам, - обеспечения раз­ борчивой передачи речи (в нашем случае — каналам утечки акустической ре­ чевой информации). Мерой разборчивости является здесь разборчивость элементов речи — величина, определяемая как отношение числа правиль­ но принятых по испытуемому тракту элементов речи (звуков, слогов, слов или фраз) к достаточно большому общему числу переданных и выражае­ мая в процентах или в долях единицы - разборчивость речи. Метод опреде­ ления этих величин называется артикуляционным методом.

Измерения разборчивости проводят специально подобранные и на­ тренированные бригады (артикуляционные бригады). Испытания состоят в передаче по испытуемому тракту серии таблиц, состоящих из артикуля­ ционных элементов речи, записи услышанного и вычисления среднего про­ цента правильно принятых элементов. В зависимости от используемых ар­ тикуляционных таблиц (слоговые, словесные, фразовые) измеряют следу­ ющие виды разборчивости:

87

разборчивость звуков — D;

разборчивость слогов — S;

разборчивость слов — W;

разборчивость фраз — J.

По окончании цикла приемо-передачи сверяются принятые и передан­ ные таблицы и вычисляется процент правильно принятых элементов.

При достаточно большом объеме измерения, т.е. когда процент раз­ борчивости вычисляется по большому числу принятых слогов (порядка нескольких сот и выше), влияние различных случайных факторов и субъек­ тивных особенностей отдельных операторов усредняется и артикуляцион­ ные измерения дают устойчивые, объективные и повторимые результаты. Получаемые в результате таких измерений значения разборчивости явля­ ются оценкой качества испытуемого тракта. Эта оценка характеризует ис­ пытуемый тракт (в нашем случае — воздушное пространство выделенного помещения + строительные конструкции) с точки зрения его способности передавать и защищать речевую информацию. Наиболее широкое приме­ нение нашел метод слоговой артикуляции (таблицы не имеющих смысла звукосочетаний). Вследствие отсутствия смыслового значения у передавае­ мых слогов в значительной мере устраняется влияние многих субъектив­ ных факторов.

Установлено, что для каждого национального языка все виды разбор­ чивости: звуковая - D, слоговая - S, словесная -W и фразовая - J связаны

друг	с другом однозначными	функциональными зависимостями	вида
S=f(D),	W=f(S), J=f(W), которые	остаются неизменными для любых	усло­

вий передачи на реально существующих трактах. Из факта наличия одно­ значных зависимостей для таких видов разборчивости, как D, S, W, J, кото­ рые поддаются непосредственному измерению с помощью артикуляцион­ ных таблиц, можно сделать следующий вывод: измерения с различными видами таблиц (S, W, J, D) отнюдь не дополняют друг друга, а просто явля­ ются эквивалентными друг другу (в смысле тех сведений о качестве тракта, которые можно получить в результате проведения этих измерений). Это значит, что нет необходимости измерять все виды разборчивости. Доста­ точно измерить только одну какую-нибудь из этих величин, а остальные

могут	быть получены по	соответствующим соотношениям или	графикам
(рис.	2.5.1-2.5.6). Поэтому	наиболее целесообразным является	измерение

того вида разборчивости, который в данном конкретном случае является наиболее экономичным, т.е. при одной и той же точности измерений требу­ ет минимальной затраты сил, средств и времени на их производство. Одна­ ко при проведении артикуляционных испытаний применение слоговой и словесной разборчивости более предпочтительны, т.к. обеспечивают мень­ шую зависимость результатов испытаний от субъективных особенностей артикулянтов(например, таких как способность к запоминаемости).

88

Проведенные экспериментальные исследования показали следующие зависимости между различными видами разборчивости русской и английс­ кой речи, приведенные на рис. 2.5.

Рис. 2.5а. Зависимость разборчивости слогов от разборчивости формант.

Рис. 2.5б. Зависимость разборчивости слогов от разборчивости звуков.

89

Рис. 2.5в. Зависимость разборчивости слов от разборчивости звуков.

Рис. 2.5г. Зависимость разборчивости фраз от разборчивости слогов.

Рис. 2.5д.Зависимость разборчивости фраз от разборчивости слов.

90