Акустические и виброакустические каналы утечки речевой информации из выделенных объемов помещений

Основные понятия, определения и единицы измерения в акустике. Звук - колебательное движение упругой среды. Процесс распространения колебательного движения в среде называется звуковой волной. За один полный период колебания Т звуковой процесс распространяется в среде на расстояние, равное длине волны λ. f = 1/T, Гц λ = сТ, м.

Длина волны зависит от скорости распространения звука в среде: С_вода - 1490 м/с, С_бетон- 3700 м/с, С_воздух 340 м/с, С_кирпич 2300 м/с, С_сталь 5200 м/с.

Изменения давления в звуковой волне относительно среднего значения называется звуковым давлением Р и измеряется в Паскалях.

В акустике принято использование относительных единиц измерения уровня звукового давления – децибел. В качестве, выбрана величина Р_о - минимального звукового давления воспринимаемого человеческим слухом Р = Р_о = 2-10⁵ Па, что соответствует. При этом изменение уровня звукового давления на 1 дБ является минимальной, различаемой человеческим слухом величиной изменения громкости. Следует отметить, что в акустике при частотном анализе сигналов используют стандартизированные частотные полосы шириной в 1 октаву, 1/3 октавы, 1/12 октавы. Октава - это полоса частот, у которой верхняя граничная частота в два раза больше нижней граничной частоты, Δf = (f_В - f_H) = 1 окт, если f_В = 2f_H.

Центральные частоты стандартных октавных полос соответствуют следующему ряду: 2, 4, 8, 16, 31,5, 63, 125, 250, 500 (Гц), 1, 2, 4, 8, 16 (кГц).

Основные акустические параметры речевых сигналов.

Основные звуки речи образуются следующим образом:

- гласные образуются при прохождении воздуха через голосовые связки. Акустические колебания гласных звуков носят периодический, близкий к гармоническому характер и могут изменяться в значительном частотном диапазоне;

- глухие согласные (сонорные, щелевые, взрывные) образуются за счет преодоления воздухом препятствий в носовой и ротовой полостях и носят характер как отдельных акустических импульсов, так и шумовых сигналов со сплошным спектром различной конфигурации;

- звонкие согласные образуются также как глухие, но при участии голосовых связок.

Таким образом, речевой сигнал представляет собой сложный частотно и амплитудно-модулированный шумовой процесс, характеризующийся следующими основными статистическими параметрами: частотный диапазон; уровень речевых сигналов; динамический диапазон.

Частотный диапазон речи лежит в пределах 70-7000 Гц. Энергия акустических колебаний в пределах указанного диапазона распределена неравномерно. На рис. 4.4, кривой 1 представлен вид среднестатистического спектра русской речи. Следует отметить, что порядка 95 % энергии речевого сигнала лежит в диапазоне 175.. .5600 Гц. Важно отметить, что информативная насыщенность отдельных участков спектра речи неравномерна. Кривой 2 на рис 1.8 представлен вклад отдельных участков спектра речи в суммарную разборчивость.

Уровни речевых сигналов. В различных условиях человек обменивается устной информацией с различным уровнем громкости, при этом создаются следующие уровни звукового давления: тихий шепот 35-40 дБ, спокойная беседа 55.. .60 дБ; - выступление в аудитории без средств звукоусиления 65.. .70 дБ.

L, дБ Sсл, %

0,1

F,кГц

0,07 0,35 2,5 7

Рис. 4.4. Среднестатистический спектр русской речи

Динамический диапазон. Уровень речи в процессе озвучивания одного сообщения может меняться в значительных пределах. Разность между квазимаксимальными и квазиминимальными уровнями для различных видов речи составляет: дикторская речь 25.. .35 дБ; телефонные переговоры 35.. .45 дБ; драматическая речь 45.. .55 дБ.

Распространение акустических сигналов в помещениях и строительных конструкциях. При своем распространении звуковая волна, доходя до какой-либо преграды (границы двух сред) и взаимодействуя с ней, частично отражается от нее, а частично продолжает распространяться по преграде. Количество акустической энергии, прошедшей из одной среды в другую, зависит от соотношения их акустических сопротивлений (рис. 4.5).

Рис. 4.5. Количество акустической энергии, прошедшей из одной среды в другую

В строительной акустике используются следующие основные понятия:

Таблица 1.1 Звукоизоляция основных строительных конструкций, дБ

Каналы утечки речевой информации. На рис. 4.6. представлены основные варианты возможной утечки речевой информации из объемов выделенных помещений. Все их можно объединить в две группы - это акустические каналы (обозначены буквами а, б, в), т.е. такие каналы, по которым информация может быть перехвачена с помощью микрофонов воздушной проводимости или прослушана непосредственно человеком, и виброакустические каналы (обозначены буквами г, д, е), т.е. каналы, по которым информация может быть зафиксирована с помощью микрофонов твердой среды (виброметров, велосиметров, акселерометров).

Наибольшую опасность представляют технологические окна и каналы с большой площадью поперечного сечения, такие как короба коммуникаций и воздуховоды вентиляции. Эти объекты являются по сути акустическими волноводами, и звуковые колебания могут распространяться по ним на значительные расстояния. Так, если поперечные размеры короба сравнимы с длиной звуковых волн L ~ λ, затухание при распространении по нему звука составляет 6 = 0,01 -1 дБ/м и зависит от размеров короба, материала стенок и пр.

Рис. 4.6. Основные каналы утечки речевой информации