Формирование, распространение и прием акустических сигналов

Звуком называются механические колебание частиц упругой среды (воздуха, воды, металла и т.д.), субъективно воспринимаемые органом слуха. Звуковые ощущения вызываются колебаниями среды, происходящими в диапазоне частот от 16 до 20000 Гц.

Под акустической информацией обычно понимается информация, носителями которой являются акустические сигналы. В том случае, если источником такого сигнала является речевой аппарат человека, акустическая информация называется речевой.

Первичными источниками акустических сигналов являются механические колебательные системы, например, органы речи человека, а вторичными - преобразователи различного типа, например, громкоговорители.

В акустическом канале утечки носителем информации от источника к несанкционированному получателю является акустическая волна в атмосфере, воде и твердой среде.

Акустические сигналы машин и технических средств возникают в результате колебаний их поверхностей и частиц воздуха, проходящего через различные отверстия и полости машин и средств.

В общем случае диапазон частот акустических сигналов составляет:

• менее 16 Гц (в инфразвуковом диапазоне) — вибрации машин;

• 16 Гц - 20 кГц (звуковой диапазон) — речь, звуки машин;

• более 20 кГц (ультразвуковой диапазон)— звуки отдельных живых существ и механических средств.

Источники сигналов характеризуются диапазоном частот, мощностью излучения в Вт, интенсивностью излучения в Вт/м², мощностью акустической волны, прошедшей через перпендикулярную поверхность площадью 1 м², громкостью звука в дБ, измеряемой как десятичный логарифм отношения интенсивности звука к порогу слышимости. Интенсивность излучения является физической характеристикой акустического сигнала, а громкость — физиологической, учитывающей разную чувствительность слуховой системы человека к акустическим волнам разной частоты. Так как основным источником акустической речевой информации является человек, то средняя мощность (громкость) источников сигналов акустических каналов утечки информации составляет 40 - 80 дБ.

Следует отметить, что, хотя громкость звуков в логарифмическом масштабе принимает значения десятков дБ, абсолютная величина их мощности крайне мала. Например, акустической энергии непрерывного громкого разговора жителей Москвы в течение суток хватит лишь на то, чтобы вскипятить чайник с водой.

Физические явления, возникающие при распространении акустических волн, изучаются физической акустикой. В воздушной среде акустический сигнал распространяется в виде продольной упругой волны, которая представляет собой колебание частиц воздуха вдоль направления распространения волны. Продольные колебания воздуха приводят к изменению давления относительно атмосферного в области распространения волны. Звуковое давление, соответствующее порогу слышимости уха, составляет 10~'° от нормального атмосферного, болевому порогу.— порядка 10~⁴ от атмосферного давления.

В твердых телах наряду с продольными волнами возникают поперечные (перпендикулярные направлению распространения волны) колебания, которые не создают давления в продольном направлении.

Акустические волны как носители информации характеризуются следующими показателями и свойствами:

• энергией (мощностью);

• скоростью распространения носителя в определенной среде;

• величиной (коэффициентом) затухания или поглощения;

• условиями распространения акустической волны (коэффициентом отражения от границ различных сред, дифракцией).

Среда распространения носителя информации от источника к приемнику может быть однородной (воздух, вода, твердые тела) и неоднородной, образованной последовательными участками различных физических сред: воздуха, древесины дверей, стекол окон, бетона или кирпича стен, различными породами земной поверхности и т. д. Но и в однородной среде ее параметры не постоянные, а могут существенно различаться в разных точках пространства.

При распространении звуковых колебаний движение частиц среды вызывает давление во фронте волны. Фронтом звуковой волны называется поверхность, соединяющая точки поля с одинаковой фазой колебания. По мере распространения в любой среде звуковые волны затухают.

Затухание акустической волны в воздухе вызвано:

• расхождением акустической волны в пространстве;

• рассеянием акустической волны на неоднородностях воздушной среды (каплях дождя, снежинках, пыли, ветках деревьев и др);

• турбулентностью воздушных потоков, вызванной неравномерным распределением в пространстве температуры, давления, силы и скорости ветра, которые искривляют акустическую вол
ну и вызывают частичное ее отражение от границы раздела слоев воздуха с различными плотностями.

Интенсивность сферической акустической волны (в виде сферы) в результате расхождения убывает обратно пропорционально квадрату расстоянию от источника, а амплитуда звукового давления — обратно пропорционально расстоянию. Если среда ограничена отражающей поверхностью, то степень затухания уменьшается. В металлических звуководах и в трубах большая часть энергии звуковой волны многократно переотражается от стен и в пространстве рассеивается в существенно меньшей степени. Поэтому дальность распространения акустической волны в них значительно больше.

Так как акустическая волна распространяется в результате передачи энергии колебаний от одной микрочастицы среды к другой, то чем выше частота колебаний, тем большая энергия нужна для раскачивания соседней микрочастицы. Поэтому затухание звука в среде распространения пропорционально квадрату частоты колебаний.

При распространении акустической волны в среде ее траектория изменяется в результате отражений и дифракции. На границе сред с разной плотностью акустическая волна частично переходит из одной среды в другую, частично отражается от границы между двумя средами. При падении звука из воздуха на воду, бетон, дерево в эти среды проникает не более сотых долей мощности звука.

Отражение звука происходит также от поверхностей разделов слоев воздуха (воды) с разными значениями акустического сопротивления вследствие неодинаковой температуры и плотности. Этим объясняются значительные колебания (в 10 и более раз) дальности распространения звука в атмосфере.

При определенных условиях неоднородности создают условия для образования акустических (звуковых) каналов, по которым акустическая волна может распространяться на значительно большие расстояния, как свет по оптическим световодам. Акустические каналы чаще всего образуются в воде морей и океанов на определенной глубине, на которой в результате влияния двух противоположных природных факторов (плотности воды и ее температуры) создается акустический канал с меньшей скоростью распространения, чем в выше и нижерасположенных слоях воды. Такое явление возникает потому, что скорость распространения акустической волны в воде увеличивается с глубиной изза повышения плотности воды и уменьшается при понижении ее температуры в более глубоких слоях, особенно в летнее время. В слоях ниже акустического канала преобладает влияние первого фактора, способствующего увеличению скорости акустической волны, выше— второго фактора. Акустическая волна, попадающая в эту область, распространяется внутри ее с соответствующим для параметров воды затуханием. При отклонении траектории распространения волна, преломляясь в неоднородностях области, возвращается в канал. В результате этого длина акустического канала существенно увеличивается. Звуковая волна от подводных взрывов может распространяться на расстояние в сотни км.

В помещении акустическая волна многократно отражается от ограждений, в результате чего в нем возникает сложное акустическое поле в виде совокупности волн, приходящихся непосредственно от источника и отраженных. Акустические сигналы при прохождении через вентиляционные воздухопроводы ослабевают изза поглощения в стенах короба и в изгибах. Однако за счет многократных переотражений акустической волны от стенок воздуховода ее энергия не рассеивается в пространстве. Вследствие этого дальность распространения волны в воздуховоде может быть существенно больше, чем в свободном пространстве. Затухание в прямых металлических воздуховодах составляет 0,15 дБ/м, в неметаллических — 0,2 - 0,3 дБ/м. При изгибах затухание достигает 37 дБ (на один изгиб), при изменениях сечения — 13 дБ. Ослабление сигнала на выходе из воздуховода помещения составляет 10 - 16 дБ.

За счет многократных переотражений акустической волны в замкнутом пространстве возникает явление послезвучания — реверберация. Величина реверберации оценивается временем реверберации Т, равного времени уменьшения интенсивности звука после выключения его источника на 60 дБ. Вследствие многократных переотражений в помещении на барабанную перепонку человека или мембрану микрофона оказывают давление акустические волны, распространяющиеся разными путями от источника звука. При очень малом значении времени реверберации на барабанную перепонку или микрофон воздействует, в основном, быстро затухающая прямая волна. В этом случае слышимость речи при удалении от источника резко уменьшается, а тембр звуков речи за счет большего затухания в воздухе высоких частот обедняется, что ухудшает слышимость речи в крупных помещениях. Чем больше размеры помещения и меньше коэффициент поглощения ограждающих поверхностей, тем больше время реверберации. При большем времени реверберации слышимость в удаленных от источника звука точках пространства улучшается за счет энергии отраженных от стен акустических волн. Но при большом времени реверберации на звуки, создаваемые в текущий момент времени, накладываются предшествующие звуки, что ухудшает разборчивость речи и делает помещение гулким. Поэтому для каждого помещения существует оптимальное время реверберации, при котором обеспечиваются хорошие слышимость и разборчивость речи или музыки. Время реверберации менее 0,85 с незаметно для слуха. Для большинства типовых помещений организаций время реверберации мало (0,2 - 0,6 с) и его можно не учитывать при оценке разборчивости.

Для концертных залов, имеющих существенно большие размеры, время реверберации определяет их акустику. Установлено, что в помещениях объемом до 350 м² оптимальной является реверберация со временем до 1,06 с. При увеличении объема помещения V время реверберации пропорционально повышается и принимает для Vn = 27000 м³ значение около 2 с.

При распространении структурного звука в конструкциях зданий, особенно в трубопроводах, также возникают реверберационные явления, искажающие акустический сигнал и снижающие разборчивость речи на 1520%. Следовательно, в замкнутом помещении акустическое поле представляет собой сумму «прямого» звука и отраженных акустических волн, образующих диффузное поле. Характер диффузного поля влияет на качество принимаемого звука. Это влияние оценивают коэффициентом — акустическим отношением, равным отношению суммарного уровня отраженных волн к уровню прямой волны. Акустическое отношение может достигать величины 10 - 15. Однако при значении акустического отношения более 4 ухудшается четкость звучания — возникает гулкость звука. Четкость звучания оценивается отношением плотности энергии звука, приходящего в точку измерения (приема) в течение 60 мс и воспринимаемого слушателем слитно, к общей плотности энергии звука в этой точке. Чем больше четкость звучания, тем меньше влияние запаздывающих отраженных акустических лучей.

Акустические приемники обеспечивают селективность акустических сигналов в пространстве и по частоте, преобразование их в электрические сигналы, усиление электрических сигналов, консервацию и преобразование их в форму, доступную для восприятия информации человеком. В зависимости от среды распространения акустической волны различают акустоэлектрические преобразователи акустических приемников: в атмосфере — микрофоны, в твердой среде — стетоскоп и акселерометр, в воде — гидрофон и земной поверхности— геофон. Ухо имеет наибольшую чувствительность в средней области звукового диапазона (1500— 2000 Гц) и меньшую чувствительность на низких и высоких частотах. Средний порог слышимости человека соответствует мощности звука 10 ^|2 Вт или звуковому давлению на барабанную перепонку уха человека 2 • 10 ⁵ Па. В диапазоне 250 - 500 Гц происходит ухудшение слышимости и, следовательно, громкости примерно на ё дБ. Акустические шумы при восприятии речи человеком повышают порог его слышимости.