Функциональные подсистемы

L=20 lgP/P0

Р – средне-квадратичная величина звукового давления; Р0 – пороговая величина средне-квадратичного давления, которая

соответствует 0 дБ.

Вся шкала от 2*10-5 до 2*104 ПА (от порогового уровня восприятия звука до болевого порога) соответствует диапазон от 0 до 140 дБ.

Имиссионные характеристики шума – в определенной точке пространства независимо от того каким образом и какими источниками

создается

Эмиссионные характеристики шума –определяемые источником шума

Основной ряд октавных полос

Граничные		Среднегеометрическ
частоты полос, Гц		ая частота, Гц

ДОПУСТИМЫЕ УРОВНИ ЗВУКОВОГО ДАВЛЕНИЯ

В ОКТАВНЫХ ПОЛОСАХ ЧАСТОТ, ЭКВИВАЛЕНТНЫХ И

МАКСИМАЛЬНЫХ

УРОВНЕЙ ЗВУКА ПРОНИКАЮЩЕГО ШУМА В ПОМЕЩЕНИЯХ

Наимено Время

ЖИЛЫХ ЗДАНИЙ

Уровни звукового давления, дБ,

в октавных полосах со

звука LА и

среднегеометрическими частотами,

L Амакс.,

31, 6 12 25 50 100 200 4000 800

дБА Аэкв

непосред

прилегаю

к жилым домам

Допустимые уровни проникающего шума в помещениях жилых и общественных зданий и шума на территории жилой застройки (СН 2.2.4/2.1.8.562 – 96)

Назначение

помещений

территорий

Жилые комнаты квартир, домов отдыха, пансионатов, домов- интернатов, спален в ДДУ

Территории,

непосредственно прилегающие к жилым домам, зданиям домов отдыха, пансионатов, домов- интернатов, спален в ДДУ

Время суток	Эквивалентный	Максимальный
	уровень звука	уровень звука
	LАэкв ., дБА	LАмакс ., дБА
С 7.00 до 23.00
С 23.00 до 7.00
С 7.00 до 23.00
С 23.00 до 7.00

Постоянный шум

– L (дБ) уровни звукового давления в октавных полосах частот

L А (дБА) уровни звука

Непостоянный шум

– L А экв . (дБА) эквивалентные уровни звука

L А макс . (дБА) максимальные уровни звука

Нормативные документы

1. Федеральный Закон «Закон об охране атмосферного воздуха» № 96-ФЗ от 04.05.1999.

2. СН 2.2А/2.1.8.562-96 «Шум на рабочих местах, в помещениях жилых, общественных зданий и на территории жилой застройки».

3. СНиП 2.07.01-89 «Градостроительство. Планировка и застройка городских и

сельских поселений».

4. ГОСТ «Шум. Транспортные потоки. Методы измерения шумовой характеристики»

5. ГОСТ «Автомобили, автопоезда, автобусы, мотоциклы, мотороллеры, мопеды и мотовелосипеды. Внешний и внутренний шум. Предельно-допустимые уровни. Методы измерения» .

6. СН 30-57-84 «Санитарные нормы допустимого шума, создаваемого изделиями медицинской техники в помещениях» .

7. СанПиН 2.1.2.2645-10 «Санитарно-эпидемиологические требования к жилым зданиям и помещениям».

8. СН 4396-87 «Санитарные нормы допустимой громкости звучания звуковоспроизводящих и звукоусилительных устройств в закрытых помещениях и на открытых площадках».

9. ГОСТ 23337-78 «Шум. Методы измерения шума на селитебной территории и в помещениях жилых и общественных зданий».

10. СанПиН 2.2.1/2.1.1.1200-03 «Санитарно-защитные зоны и санитарная классификация предприятий, сооружений и иных объектов. Санитарно-эпидемиологические правила и нормативы».

ХОРЕВ Анатолий Анатольевич, доктор технических наук, профессор

ТЕХНИЧЕСКИЕ КАНАЛЫ УТЕЧКИ АКУСТИЧЕСКОЙ (РЕЧЕВОЙ) ИНФОРМАЦИИ

Общая характеристика речевого сигнала

Под акустической информацией обычно понимается информация, носителями которой являются акустические сигналы. В том случае, если источником информации является человеческая речь, акустическая информация называется речевой .

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

Акустические сигналы представляют собой продольные механические волны. Они испускаются источником - колеблющимся телом - и распространяются в твердых телах, жидкостях и газах в виде акустических колебаний (волн), то есть колебательных движений частиц среды под действием различных возмущений. Пространство, в котором происходит распространение акустических колебаний, называют акустическим полем, направление распространения акустических колебаний - акустическим лучом , а поверхность, соединяющую все смежные точки поля с одинаковой фазой колебания частиц среды - фронтом волны . В общем случае фронт волны имеет сложную форму, но на практике, в зависимости от конкретной решаемой задачи, обычно ограничиваются рассмотрением трех видов фронтов: плоского, сферического и цилиндрического.

Характеристики акустического поля подразделяются на линейные и энергетические.

Линейными характеристиками акустического поля являются :

Акустическое давление p (Па) - разность между мгновенным значением давления p ам в точке среды при прохождении через нее акустической волны и статическим давлением p ас в той же точке (1 Па = 1 Н/м 2): p = p ам – p ас; (1)

Смещение u (м) - отклонение частиц среды от ее статического положения под действием проходящей акустической волны;

Скорость колебаний n (м/с) - скорость движения частиц среды под действием проходящей акустической волны: n = du/dt, (2), где u - смещение частиц среды, м; t - время, с;

Удельное акустическое сопротивление z (кг/м 2 с) - отношение звукового давления p к скорости колебаний частиц среды n : z = p/n .(3)

Энергетическими характеристиками акустического поля являются :

Интенсивность акустических колебаний I (Вт/м 2) - количество энергии, проходящее в секунду через единицу площади поверхности, перпендикулярной к направлению распространения волны;

Плотность энергии e (Дж/м 3) - количество энергии акустических колебаний, находящейся в единице объема. Плотность энергии связана с интенсивностью акустических колебаний I соотношением:
e = I/v зв (4), где v зв - скорость звука.

В газообразных средах скорость звука зависит от плотности среды r (плотность воздуха зависит от его температуры) и статического атмосферного давления p ас.

Для температуры воздуха 15 - 20° С и давления 101325 Па (760 мм рт. ст.) скорость звука составляет v зв = 340 – 343 м/с .

Для колебаний с периодом Т длина звуковой волны l , то есть расстояние между соседними фронтами волны с одинаковой фазой (например, между максимумами или минимумами колебаний), и частота колебаний f рассчитываются по формулам:

l = v зв T; (5)
f = 1/T. (6)

Частоты акустических колебаний в пределах 20 - 20000 Гц называют звуковыми (их может воспринимать человеческое ухо), ниже 20 Гц - инфразвуковыми, а выше 20000 Гц - ультразвуковыми.

В акустике в качестве уровней характеристик акустического поля принимают величины, пропорциональные логарифмам относительных значений (относительно нулевого значения) этих характеристик.

За условное (нормированное) значение нулевого уровня интенсивности акустических колебаний принята интенсивность, равная I 0 = 10 -12 Вт/м 2 , при этом относительный уровень интенсивности будет равен :

L I = 10lg(I/I 0), дБ. (7)

Уровень акустического давления для воздуха определяют относительно акустического давления, соответствующего нулевому значению уровня интенсивности для удельного акустического сопротивления, равного z = 400 кг/(м 2 с) :

L p = 20lg(p/p 0), дб, (8)

где p 0 = 2 10 -5 Па - условное значение нулевого уровня акустического давления.

Величины p 0 и I 0 примерно соответствуют порогу слухового восприятия (слышимости).

Единицей относительного уровня является децибел (дБ). Приращению уровня на 1 дб соответствует увеличение звукового давления на 12%, а интенсивности звука на 26% .

Акустическое поле в открытом пространстве при наличии единичного источника мощности характеризуется интенсивностью акустических колебаний, рассчитываемой по формуле :

(9)
где P W - мощность источника излучения, Вт;
c - коэффициент, учитывающий влияние ближнего акустического поля (для открытого пространства c » 1);
r - расстояние от источника до расчетной точки, м;
G - коэффициент направленности источника излучения;
W - пространственный угол излучения (при излучении в двухгранный угол W = p , при излучении в полупространство W = 2p , при излучении в пространство W = 4p ), рад.

Теоретически рассчитать уровень интенсивности акустических колебаний от реальных объектов довольно сложно. Поэтому наиболее часто уровень интенсивности акустических колебаний измеряют в определенном направлении на определенном расстоянии от объекта r 0 , а затем пересчитывают на любое другое расстояние r в том же направлении по формуле:

, дБ, (10)

где r 0 - расстояние, на котором производилось измерение уровня интенсивности акустических колебаний , (в большинстве случаев r 0 = 1 м).

Измеренный уровень интенсивности акустических колебаний на расстоянии r 0 .

При r 0 = 1 м для открытого пространства уровень интенсивности акустических колебаний на расстоянии r от источника будет равен:

, дБ. (11)

При распространении акустического сигнала в помещениях необходимо учитывать их ослабление при прохождении через ограждающие конструкции:

ДБ, (12)
где Z ок - коэффициент затухания акустического сигнала в ограждающей конструкции (коэффициент звукоизоляции), дБ.

В зависимости от формы акустических колебаний различают простые (тональные) и сложные сигналы. Тональный –это сигнал, вызываемый колебанием, совершающимся по синусоидальному закону. Сложный сигнал включает целый спектр гармонических составляющих. Речевой сигнал является сложным акустическим сигналом.

Речь может быть охарактеризована тремя группами характеристик :

Семантическая или смысловая сторона речи - характеризует смысл тех понятий, которые передаются при ее помощи;

Фонетические характеристики 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;

Физические характеристики - величины и зависимости, характеризующие речь как акустический сигнал.

Помимо того, что звуки речи, объединяясь в определенные фонетические комбинации, образуют некоторые смысловые элементы, они также различаются и чисто физическими параметрами: мощностью, звуковым давлением, частотным спектром, длительностью звучания.

Частотный спектр звуков речи содержит большое число гармонических составляющих, амплитуды которых уменьшаются с ростом частоты. Высота основного тона (первой гармоники) этого ряда характеризует собой тип голоса говорящего: бас, баритон, тенор, альт, контральто, сопрано, но в большинстве случаев почти не играет роли для различения друг от друга звуков речи.

В русском языке сорок один звук речи (фонем) . По спектральному составу звуки речи различаются друг от друга числом формант и их расположением в частотном спектре. Следовательно, разборчивость передаваемой речи зависит, прежде всего, от того, какая часть формант дошла до уха слушающего без искажений и какая - исказилась, или по тем или иным причинам вообще не была услышана.

Форманта может характеризоваться либо занимаемой ею частотной полосой, либо средней частотой, соответствующей максимуму амплитуды или энергии составляющих в формантной полосе, и средним уровнем этой энергии.

Большинство звуков речи имеет одну или две форманты, что обусловлено участием в образовании этих звуков основных резонаторов голосового аппарата - полости глотки и носоглотки.

Максимально в отдельных звуках замечено до 6 усиленных частотных областей. Однако далеко не все они являются формантами. Некоторые из них никакого значения для распознавания звуков не имеют, хотя и несут в себе довольно значительную энергию.

Формантными являются одна или две частотные области. Исключение из передачи любой из этих областей вызывает искажение передаваемого звука, т. е. либо превращение его в другой звук, либо вообще потерю им признаков звука человеческой речи.

Форманты звуков речи расположены в широкой области частот приблизительно от 150 до 8600 Гц. Последний предел превышают лишь составляющие формантной полосы звука Ф , которые могут лежать в области до 12 000 Гц . Однако подавляющая часть формант звуков речи лежит в пределах от 300 до 3400 Гц, что и позволяет считать эту полосу частот вполне достаточной для обеспечения хорошей понятности передаваемой речи. Форманты расположены не только вплотную друг к другу, но даже с перекрытием.

Различным видам речи соответствуют типовые интегральные уровни речевых сигналов, измеренные на расстоянии 1 м от источника речи (говорящий человек, звуковоспроизводящее устройство): l s = 64 дБ - тихая речь; L s = 70 дБ - речь средней громкости; l s = 76 дБ - громкая речь; l s = 84 дБ - очень громкая речь, усиленная техническими средствами.

Как правило, уровни речевых сигналов измеряют в октавных или треть-октавных полосах речевого диапазона частот. Характеристики октавных и треть-октавных полос речевого диапазона частот и числовые значения типовых уровней речевого сигнала в них l s.i в зависимости от их интегрального уровня l s , представлены в табл. 1 и табл. 2 .

Таблица 1. Типовые уровни речевого сигнала в октавных полосах частотного диапазона речи L s.i

Номер полосы
			L s = 64	L s = 70	L s = 76	L s = 84
1	90 - 175	125	47	53	59	67
2	175 - 355	250	60	66	72	80
3	355 - 710	500	60	66	72	80
4	710 - 1400	1000	55	61	67	75
5	1400 - 2800	2000	50	56	62	70
6	2800 - 5600	4000	47	53	59	67
7	5600 - 11200	8000	43	49	55	63

Таблица 2. Типовые уровни речевого сигнала в третьоктавных полосах частотного диапазона речи L s.i

Номер полосы	Частотные границы полосы, f н - f в, Гц	Среднегеометрическая частота полосы, f i , Гц	Типовые интегральные уровни речи L s , измеренные на расстоянии 1 м от источника сигнала, дБ
			L s = 64	L s = 70	L s = 76	L s = 84
1	180 - 224	200	54	60	66	74
2	224 - 280	250	58	64	70	78
3	280 - 355	315	56	62	68	76
4	355 - 450	400	58	64	70	78
5	450 - 560	500	56	62	68	76
6	560 - 710	630	50	56	62	70
7	710 - 900	800	44	50	56	64
8	900 - 1120	1000	45	51	57	65
9	1120 - 1400	1250	45	51	57	65
10	1400 - 1800	1600	42	48	54	62
11	1800 - 2240	2000	38	44	50	58
12	2240 - 2800	2500	39	45	51	59
13	2800 - 3550	3150	38	44	50	58
14	3550 - 4500	4000	37	43	49	57
15	4500 - 5600	5000	33	39	45	53
16	5600 - 7100	6300	31	37	43	51
17	7100 - 9000	8000	30	36	42	50
18	9000 - 11200	10000	27	33	39	47

Первая и седьмая октавные полосы являются малоинформативными, поэтому наиболее часто для оценки возможностей средств акустической разведки уровни речевого сигнала измеряют только в пяти (2 - 6) октавных полосах.

Спектральный состав речи в значительной степени зависит от пола, возраста и индивидуальных особенностей говорящего. Для различных людей отклонение уровней сигналов, измеренных в октавных полосах, от типовых уровней может составлять 6 дБ.

Перехват речевой информации средствами акустической разведки осуществляется на фоне естественных шумов (табл. 3). Процесс восприятия речи в шуме сопровождается потерями составных элементов речевого сообщения. Понятность речевого сообщения характеризуется количеством правильно принятых слов, отражающих качественную область понятности, которая выражена в категориях подробности справки о перехваченном разговоре, составляемой “противником” (лицом, осуществляющим перехват информации).

Таблица 3. Средний интегральный уровень акустических шумов

Наименование объекта	Уровень шума, дБ
Улица с интенсивным движением	60
Улица со средним движением	55
Улица без движения автомобилей	35
Сельская местность	35
Комната шумная	55 - 65
Комната тихая	35 - 40
Пустой кабинет	30 - 35
Коридоры	45 - 50

Для количественной оценки качества перехваченной речевой информации наиболее часто используют показатель – словесная разборчивость речи W , под которой понимается относительное количество (в процентах) правильно понятых слов.

Проведенный анализ показал возможность ранжирования понятности перехваченной речевой информации. Из практических соображений может быть установлена некоторая шкала оценок качества перехваченного разговора:

1. Перехваченная речевая информация содержит количество правильно понятых слов, достаточное для составления подробной справки о содержании перехваченного разговора.

2. Перехваченная речевая информация содержит количество правильно понятых слов, достаточное только для составления краткой справки-аннотации, отражающей предмет, проблему, цель и общий смысл перехваченного разговора.

3. Перехваченная речевая информация содержит отдельные правильно понятые слова, позволяющие установить предмет разговора.

4. При прослушивании фонограммы перехваченного разговора нельзя установить предмет разговора.

Практический опыт показывает, что составление подробной справки о содержании перехваченного разговора невозможно при словесной разборчивости менее 60 – 70,%, а краткой справки-аннотации – при словесной разборчивости менее 40 – 60%. При словесной разборчивости менее 20 – 40% значительно затруднено установление даже предмета ведущегося разговора, а при словесной разборчивости менее 10 – 20% это практически невозможно даже при использовании современных методов шумоочистки.

Классификация технических каналов утечки акустической (речевой) информации

Для обсуждения информации ограниченного доступа (совещаний, обсуждений, конференций, переговоров и т.п.) используются специальные помещения (служебные кабинеты, актовые залы, конференц-залы и т.д.), которые называются выделенными помещениями (ВП) . Для предотвращения перехвата информации из данных помещений, как правило, используются специальные средства защиты, поэтому выделенные помещения в ряде случаев называют защищаемыми помещениями (ЗП) .

В выделенных помещениях, так же как и на объектах технических средств передачи, обработки, хранения и отображения информации (ТСПИ), устанавливаются вспомогательные технические средства и системы (ВТСС).

Выделенные помещения располагаются в пределах контролируемой зоны (КЗ) , под которой понимается пространство (территория, здание, часть здания), в котором исключено неконтролируемое пребывание сотрудников и посетителей организации, а также транспортных средств. Границей контролируемой зоны могут являться периметр охраняемой территории организации или ограждающие конструкции охраняемого здания или охраняемой части здания, если оно размещено на неохраняемой территории. В некоторых случаях границей контролируемой зоны могут быть ограждающие конструкции (стены, пол, потолок) выделенного помещения. В отдельных случаях на период проведения закрытого мероприятия контролируемая зона временно может устанавливаться большей, чем охраняемая территория предприятия. При этом должны приниматься организационно-режимные и технические меры, исключающие или существенно затрудняющие возможность перехвата информации в этой зоне.

Под техническим каналом утечки акустической (речевой) информации (ТКУ АИ) понимают совокупность объекта разведки (выделенного помещения), технического средства акустической (речевой) разведки (ТС АР), с помощью которого перехватывается речевая информация, и физической среды, в которой распространяется информационный сигнал.

В зависимости от физической природы возникновения информационных сигналов, среды их распространения технические каналы утечки акустической (речевой) информации можно разделить на прямые акустические (воздушные), виброакустические (вибрационные), акустооптические (лазерные), акустоэлектрические и акустоэлектромагнитные (параметрические).

Литература

1. Акустика: Справочник/Под ред. М.А. Сапожкова. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Радио и связь, 1989. 336 с.
2. ГОСТ Р 51275-99. Защита информации. Объект информатизации. Факторы, воздействующие на информацию. Общие положения. (Принят и введен в действие Постановлением Госстандарта России от 12 мая 1999 № 160).
3. Железняк, В.К., Макаров Ю.К., Хорев А.А. Некоторые методические подходы к оценке эффективности защиты речевой информации//Специальная техника, 2000, № 4, с. 39 – 45.
4. Покровский Н.Б. Расчет и измерение разборчивости речи. М.: Гос. Издательство литературы по вопросам связи и радио, 1962. 392 с.
5. Справочник по радиоэлектронным устройствам, в 2-х томах. Т. 2/Варламов Р.Г., Додик С.Д., Иванов-Циганов А.И. и др./Под ред. Д.П. Линде. М.: Энергия, 1978. 328 с.
6. Техническая акустика транспортных машин/ Под. Ред. Н.И.Иванова. С.Пб.: Политехника, 1992. 365 с.

Шум в производственной среде

В период индустриализации, для современного научно-технического прогресса характерны возрастание производственных мощностей, появление нового оборудования с огромными мощностями, интенсификация существующих технологических процессов, которые сопровождаются возрастанием шумовой нагрузки на работающих, расширением диапазона акустических колебаний в сторону ультра- и инфразвуковых диапазонов.

Существенное значение для большинства городского населения в современных условиях приобретает шум в жилой зоне, который определяется воздействием целого ряда источников внешнего шума. К источникам подобного рода относятся, прежде всего, средства автомобильного, железнодорожного и воздушного транспорта, ряд промышленных предприятий и установок, а также другие шумовые воздействия, связанные с различными видами жизнедеятельности населения. Речь идет о внутридомовых шумовых воздействиях при работе санитарно-технического (водопровод, канализация), транспортного (лифты, мусоропроводы) оборудования, при работе в квартирах самых разнообразных электробытовых приборов (радио-, теле-, видеоаппаратуры и др.).

Шум - это беспорядочное сочетание звуков различной частоты и интенсивности.

Характеристика шума

Шум характеризуется скоростью колебания частиц воздуха и (м/с), скоростью распространения звука с (м/с) - скорость распространения звуковой волны. При нормальных атмосферных условиях (температура 20°С, давление 105 Па) скорость распространения звука в воздухе равна 344 м/с.

Звуковое давление р (Па) - разность между мгновенным значением полного давления и средним давлением, которое наблюдается в невозмущенной среде.

р = vрс,

где р - плотность среды (кг/м3), рс - называют удельным акустическим сопротивлением (Па с/м), равное 410 Па с/м для воздуха, 1,5 106 Па с/м - для воды, 4,8 10 Па с/м - для стали.

При распространении звука со скоростью звуковой волны происходит перенос энергии, которая характеризуется интенсивностью звука.

Интенсивность звука I (Вт/м) - это энергия, переносимая звуковой волной в единицу времени, отнесенная к площади поверхности, через которую она распространяется.

I = p 2 /(рс).

Как и для вибрации и по тем же самым причинам, звуковое давление и интенсивность звука принято характеризовать их логарифмическими значениями - уровнями звукового давления и интенсивности звука.

Уровень звукового давления

Lp = 10lg(p 2 /p 0 2) = 20lg(p/p 0),

где р - звуковое давление, Па; р 0 - пороговое звуковое давление, равное 2 10 5 Па.

Уровень интенсивности звука

L = 10lg(I/I 0),

где I - интенсивность звука, Па, I 0 - пороговая интенсивность звука, равная 10 12 Вт/м2.

Важной характеристикой, определяющей распространение шума и его воздействие на человека, является его частота. Так же как и для вибрации, диапазон звуковых частот разбит на октавные полосы (f1/f2=2), характеризуемые их среднегеометрическими частотами fсг. Граничные и среднегеометрические частоты октавных полос приведены ниже (Таблица № 29).

Таблица № 29. Частоты и диапазоны октавных полос

Диапазон звукового давления, воспринимаемый ухом человека, очень большой, от едва различимого (порог слышимости) до величин, вызывающих неприятные болевые ощущения (порог болевых ощущений). Для оценки уровня силы звука (шума) пользуются не физическими характеристиками (давление, энергия), а относительными величинами, основанными на субъективном слуховом восприятии звуков. Такой величиной в настоящее время является единица бел (Б) - ступень логарифмической шкалы. Однако для практических целей пользуются не единицами бел, а величиной в 10 раз меньше, называемой децибел (дБ).

Человеческое ухо воспринимает механические колебания (шум) с частотами от 20 до 20 000 Гц. С возрастом этот диапазон суживается, особенно за счет понижения слышимости высоких тонов, до частот 12 000 Гц. Ультразвуковой диапазон - свыше 20 000 Гц (20 кГц), инфразвук - меньше 20 Гц. Чувствительность слухового аппарата человека наибольшее в диапазоне 2000-5000 Гц. Эталонный звук - звук частотой 1000 Гц.

В качестве пороговых значений приняты минимальные значения звукового давления и интенсивности звука, которые слышит человек при частоте звука в 1000 Гц, поэтому они получили названия порогов слышимости. В таблице № 30, представлены сравнительные величины интенсивности звуков от разных источников - от самого минимального до максимально интенсивного, сопровождающегося болевым порогом.

Таблица № 30. Характеристика восприятия звука органом слуха человека

Шум классифицируется по частоте, спектральным и временным характеристиками, природе его возникновения (см. Рисунок № 23).

Рисунок № 23. Классификация производственного шума

По частоте - акустические колебания различаются на инфразвук f < 20 Гц), звук (20 < f < 20 000 Гц), ультразвук f > 20 000 Гц). Акустические колебания звукового диапазона (воспринимаемого органом слуха человека) подразделяются на низкочастотные (менее 350 Гц), среднечастотные (от 350 до 800 Гц), высокочастотные (свыше 800 Гц).

По спектральным характеристикам - на широкополосный с непрерывным спектром более одной октавы и тональный (дискретный), в спектре которого имеются выраженные дискретные тона (частоты, уровень звука на которых значительно выше уровня звука на других частотах).

По временным характеристикам - на постоянный (постоянным считается шум, уровень которого в течение 8-часового рабочего дня изменяется не более чем на 5 дБ) и непостоянный (непостоянным - если это изменение превышает 5 дБ). Непостоянные шумы, в свою очередь, разделяются на колеблющиеся, уровень звука которых изменяется непрерывно во времени; прерывистые, уровень звука которых изменяется ступенчато (на 5 дБ и более), причем длительность интервалов, в которых уровень звука остается постоянным не менее 1 с; импульсные, представляющие собой звуковые импульсы, длительностью менее 1 с.

По природе возникновения - на механический, аэродинамический, гидравлический, электромагнитный.

Процесс передачи колебаний в среде называется волновым .

Рис. 1 Волновое движение

Основная характеристика волнового движения – длина волны, т.н. расстояние между двумя точками волны, пребывающими в одной фазе. Другая характеристика – амплитуда волны – расстояние, на которое колеблющаяся частица отклоняется от положения равновесия.

Волновое движение характеризуется также частотой f этого движения и скоростью распространения.

Частота – количество колебаний в единицу времени (обычно в секунду, с), измеряется в герцах, Гц.

Частота звуковых волн, воспринимаемых нормальным ухом человека, лежит в пределах от 16 до 16000 Гц. Колебания с частотой меньше 16 Гц называются инфразвуком, больше 16000 Гц – ультразвуком.

Рис. 2 [__] Частота в октавных интервалах

Звук как физическое явление представляет собой волновое движение упругой среды; как физическое явление он представляется ощущением, воспринимаемым органом слуха при воздействии звуковых волн в диапазоне частот 16-16000 Гц. Другими словами звуком называют механические колебания упругого тела в частотном диапазоне слышимости человека.

Процесс распределения колебательного движения в среде называется звуковой волной . Область среды, в которой распространяются звуковые волны, называют звуковым полем .

Звуковые волны подобно всякому волновому движению характеризуются длиной волны λ в м, частотой f в герцах, Гц, и периодом колебания Т в секундах, с, а также скоростью их распространения С в м/с.

Зависимость между этими величинами может быть представлена следующим образом:

λ = С / f = С · Т (1)

Если смещение частиц среды происходит в направлении распространении звуковой волны, то такие волны называют продольными. В воздухе и на жидкостях звук распространяется только в виде продольных волн. В твердых телах наряду с продольными происходит образование поперечных и изгибных волн.

С целью анализа звукового поля звуковой диапазон (16-16000 Гц) разбивают на полосы (интервалы, шаги).

Октавная полоса – диапазон частот, в котором верхняя граничная частота f 2 в два раза больше нижней f 1 .

Третьоктавная полоса частот – диапазон частот, в котором это соотношение равно 1,26 (f 2 = 1,26 f 1). Октавная и третьоктавные полосы характеризуются среднегеометрической часто-той полосы

(2)

Граничные и среднегеометрические частоты октавных и третьоктавных полос приведены в табл. П1.

Таблица П.1

Граничные и среднегеометрические

частоты октавных и третьоктавных полос, Гц

Граничные частоты для полос	Среднегеометрические частоты для полос
октавных	третьоктавных	октавных	третьоктавных
	28-35,5		31,5
35,5-45
45-90	45-56
56-71
71-90
90-180	90-112
112-140
140-180
180-355	180-224
224-280
280-355
355-710	355-450
450-560
560-710
710-1400	710-900
900-1120
1120-1400
1400-2800	1400-1800
1800-2240
2240-2800
2800-5600	2800-3540
3540-4500
4500-5600
5600-11200	5600-7100
7100-9000
9000-11200

Для воздуха зависимость скорости от температуры выглядит:

С = 331,4 + 0,6t , м/с (3)

где 331,4 – скорость звука в воздухе при 0ºС;

t – температура окружающей среды, ºС.

Таблица 1

Скорость звука в различных материалах

Если принять среднюю скорость звука в воздухе 340 м/с, то можно получить зависимую от частоты длину волны.

Изменение состояния среды в звуковом поле характеризуется звуковым давлением р и колебательной скоростью частиц среды V .

Звуковое давление р – разность между мгновенным значением полного давления и средним (атмосферным) давлением, которое наблюдается в среде при отсутствии звукового поля. Единица измерения звукового давления р – Н/м 2 , 1 Н/м 2 = 1 Па (Паскаль).

Колебательной скоростью частиц среды V называется мгновенное значение скорости колебательного движения частиц среды при распространении в ней звуковой волны. Колебательная скорость частиц среды является векторной величиной, единица измерения – м/с.

Связь между этими физическими величинами в плоской бегущей волне определяется соотношением

р = V ρс, (4)

где ρ – плотность среды. Величина ρс – постоянная для данной среды – называется акустическим (волновым) сопротивлением и для воздуха при нормальных атмосферных условиях (р = 10 5 Па, t = 20°С) ρс = 408 Па·с/м.

Распространение звуковой волны сопровождается переносом энергии. Средний поток звуковой энергии, проходящий в единицу времени через единицу поверхности, нормальной к распространению звуковой волны, называется интенсивностью звука I , которая измеряется в Вт/м 2 . Связь между звуковым давлением и интенсивностью звука в бегущей волне устанавливается соотношением:

, (5)

где черта означает осреднение во времени.

Другой энергетической характеристикой звукового поля является плотность звуковой энергии ω в Дж/м 3 , равная количеству звуковой энергии, содержащейся в единице объема.

Для плоских звуковых волн определяется соотношением

Интенсивность звука является векторной, а плотность звуковой энергии скалярной величинами.

Человек воспринимает звук лишь в определенных интервалах. Минимальное значение звукового давления, которое человек воспринимает как звук, называется порогом слышимости (р 0 = 2·10 -5 Па). Максимальное значение звукового давления, которое воспринимает человек без риска повреждения слуха, называется болевым порогом (р = 2·10 2 Па). Порогу слышимости соответствуют звуки интенсивностью I 0 = 10 -12 Вт/м 2 , а болевому порогу – I = 10 2 Вт/м 2 .

Вводится понятие так называемого уровня, в котором абсолютные величины берутся в отношении к определенным величинам (на пороге слышимости), и это отношение логарифмируется. Единицей измерения является децибел (дБ). Таким образом, децибел – это число, выражающее в логарифмическом масштабе отношение двух величин .

Уровень интенсивности звука, дБ,

Уровень звукового давления, дБ,

Рис. 3 Область слухового восприятия звука человеком

Так как децибел – логарифмическая величина, то арифметические действия с ним имеют свои особенности, например:

L 1 + L 2 = 70 дБ + 70 дБ = 10lg (10 0,1·70 + 10 0,1·70) =

10lg (10 7 + 10 7) = 10lg (2·10 7) = 10 · 7,3 = 73 дБ

Формула сложения децибел имеет вид:

L 1 + L 2 = 10lg (10 0,1· L 1 + 10 0,1· L 2)

В общем виде при наличии нескольких источников звука суммарные уровни звукового давления определяются по формуле

, (9)

где L i – слагаемые уровни звукового давления, дБ;

n – общее число слагаемых.

L 1 – L 2 ,	дБ
ΔL(L 1 > L 2),	дБ		2,5		1,8	1,5	1,2		0,8	0,5	0,5	0,4	0,2

L = L 1 + ΔL (L 1 > L 2) (10)

Пример. Требуется найти суммарный для трех слагаемых уровней:L 1 = 86 дБ; L 2 = 80 дБ; L 3 = 88 дБ. Разность ΔL 3,1 =2 дБ; поправка ΔL 1 =2 дБ; L 3,1 = 90 дБ; L 3,1 – L 2 = 10 дБ, поправка ΔL 2 = 0,4 дБ; L 3,1,2 = 90,4 дБ.

Приборы для измерения шума называются шумомерами. Эти приборы состоят из микрофона, усилителя и измерительного прибора со шкалами А, В, С и D . Полную характеристику шума может дать измерение уровня звукового давления по шкале С и его частотная характеристика (распределение компонентов шума по частоте и уровню звукового давления). Для того, чтобы приблизить результаты измерений к субъективному восприятию человека введено понятие корректированного уровня звукового давления. Наиболее употребительная коррекция шумомера А .

Рис. 4 А шумомера

Стандартное значение коррекции ΔL А приведено ниже

Частота,	Гц		31,5
Коррекция ΔL А,	дБ			26,2	16,1	8,6	3,2		-1,2	-1	-1,1

Коррективный уровень звукового давления

L А = L – ΔL А (11)

называется уровнем звука в дБА.

Таким образом, определение уровней звука в дБА следующее – это энергетическая сумма октавных уровней звукового давления в нормируемом диапазоне частот, откорректированных по частотной характеристике А шумомера.

Пример определения уровня звука в дБА

Характеристики	Уровни звукового давления, дБ, и поправки в октавных полосах со среднегеометрическими частотами, Гц
31,5
Измеренная характеристика источника звука, L
Стандартная частотная характеристика А шумомера ΔL А	-40	-26	-16	-9	-3		+1	+1
Спектр прибора с поправкой на фильтр А
Результаты сложения
Уровень звука, L А, дБА

До сих пор мы рассматривали только один тип частотного анализа, в котором частотная шкала была линейной. Такой подход применим в том случае, когда частотное разрешение постоянно во всем частотном диапазоне, что характерно для так называемого узкополосного анализа, или анализа в полосах частот с постоянной абсолютной шириной. Именно такой анализ выполняют, например, БПФ-анализаторы.

Существуют ситуации, когда нужно провести частотный анализ, но узкополосный подход не обеспечивает представление данных в наиболее удобной форме. Например, когда изучается неблагоприятное воздействие акустического шума на организм человека. Человеческий слух реагирует не столько на сами частоты, сколько на их соотношения. Частота звука определяется по высоте тона, воспринимаемого слушателем, причем изменение частоты в два раза воспринимается как изменение тона на одну октаву, независимо от того, каковы точные значения частот. Например, изменение частоты звука со 100 Гц до 200 Гц соответствует увеличению высоты на одну октаву, но и увеличение с 1000 до 2000 Гц также есть сдвиг на одну октаву. Этот эффект настолько точно воспроизводится в широком частотном диапазоне, что удобно определить октаву, как полосу частот, у которой верхняя частота в два раза выше нижней, хотя в обыденной жизни октава есть лишь субъективная мера изменения звука.

Подводя итог, можно сказать, что ухо воспринимает изменение частоты пропорционально ее логарифму, а не самой частоте. Поэтому разумно выбирать для частотной оси акустических спектров логарифмическую шкалу (рисунок 14), что и делается почти повсеместно. Например, частотные характеристики акустического оборудования всегда даются производителями в виде графиков с логарифмической частотной осью. При осуществлении частотного анализа звука также принято использовать логарифмический частотный масштаб.

Рисунок 14 - Логарифмическая частотная шкала.

Октавный и 1/3-октавный анализ

Октава представляет собой настолько важный частотный интервал для человеческого слуха, что анализ в так называемых октавных полосах утвердился в качестве стандартного типа акустических измерений. На рисунке 15 показан типичный октавный спектр, в котором используются значения центральных частот в соответствии с международными стандартами ISO. Ширина каждой октавной полосы равна приблизительно 70% ее центральной частоты. Иными словами, ширина анализируемых полос увеличивается пропорционально их центральным частотам. По вертикальной оси октавного спектра обычно откладывают уровень в дБ

Важным преимуществом анализа в полосах частот с постоянной относительной шириной является возможность представления на едином графике очень широкого частотного диапазона с достаточно узким разрешением на низких частотах. Конечно, при этом страдает разрешение на высоких частотах, однако это не вызывает проблем в некоторых приложениях, например, при отыскании неисправностей в машинах.

Для диагностики машин узкополосные спектры (с постоянной абсолютной шириной полосы) очень полезны для обнаружения высокочастотных гармоник и боковых полос, однако для обнаружения многих простых неисправностей машин такое высокое разрешение часто не требуется. Оказывается, что спектры виброскорости (рисунок 15) большинства машин спадают на высоких частотах, и поэтому спектры с постоянной относительной шириной полосы являются, обычно, более однородными в широком частотном диапазоне, Это означает, что подобные спектры позволяют лучше использовать динамический диапазон приборов. Третьоктавные спектры достаточно узки при низких частотах, что позволяет выявить первые несколько гармоник оборотной частоты, и могут эффективно использоваться для обнаружения неисправностей с помощью построения трендов.