Октавные полосы частот	 min , Гц	 max , Гц	 ср , Гц

Примеры интервалов частот звука, создаваемого человеческим голосовым аппаратом и воспринимаемого человеческим слуховым аппаратом, приведены в табл.4.

Контральто, альт
Меццо-сопрано
Колоратурное сопрано

Примеры частотных диапазонов некоторых музыкальных инструментов приведены в таблице 5. Они охватывают не только звуковой диапазон, но и ультразвуковой.

Музыкальный инструмент	Частота, Гц
Саксофон

Животные, птицы и насекомые создают и воспринимают звук других частотных диапазонов, нежели человек (табл. 6).

В музыке каждую синусоидальную звуковую волну называют простым тоном, или тоном. Высота тона зависит от частоты: чем больше частота, тем выше тон. Основным тоном сложного музыкального звука называют тон, соответствующий наименьшей частоте в его спектре. Тоны, соответствующие остальным частотам, называются обертонами . Если обертоны кратны частоте основного тона, то обертоны называются гармоническими . Обертон с наименьшей частотой называется первой гармоникой, со следующей - второй и т.л.

Музыкальные звуки с одним и тем же основным тоном могут различаться тембром. Тембр зависит от состава обертонов, их частот и амплитуд, характера их нарастания в начале звучания и спада в конце.

Скорость звука

Для звука в различных средах справедливы общие формулы (1), (2), (3), (4):

Если волна распространяется в газах, то

. (2)

Если упругая волна распространяется в жидкости, то

, (3)

где K – модуль всестороннего сжатия жидкости. Его значение для разных жидкостей приводится в справочниках, единица измерения – паскаль :

.

Если упругая волна распространяется в твёрдых телах, то скорость продольной волны

, (4)

а скорость поперечной волны

, (5)

где E – модуль деформации растяжения или сжатия (модуль Юнга), G – модуль деформации сдвига. Их значения для разных материалов приводятся в справочниках, единица измерения – паскаль :

,

.

Следует учесть, что формула (1) или (2) применима в случае сухого атмосферного воздуха и с учётом числовых значений коэффициента Пуассона, молярной массы и универсальной газовой постоянной может быть записана в виде:

.

Однако, реальный атмосферный воздух всегда имеет влажность, которая влияет на скорость звука. Это обусловлено тем, что коэффициент Пуассона  зависит от отношения парциального давления водяного пара (p пар ) к атмосферному давлению (p ). Во влажном воздухе скорость звука определяют по формуле:

. (1*)

Из последнего уравнения видно, что скорость звука о влажном воздухе скорость звука немного больше, чем в сухом.

Численные оценки скорости звука, учитывающие влияние температур и влажности атмосферного воздуха, можно осуществлять по приближённой формуле:

Эти оценки показывают, что при распространении звука вдоль горизонтального направления (0 x ) с увеличением температуры на 1 0 C скорость звука возрастает на 0,6 м/с . Под влиянием водяного пара с парциальным давлением не более 10 Па скорость звука возрастает менее чем на 0,5 м/с . А в целом, при максимально возможном парциальном давлении водяного пара у поверхности Земли, скорость звука увеличивается не более чем 1 м/с .

Длина волны

Зная скорость и период волны, можно найти ещё одну характеристику – длину волны по формуле:

. (26)

Эта величина измеряется в метрах :

.

Физический смысл длины волны : длина волны равна расстоянию, которое волна проходит со скоростью  за время, равное периоду колебаний. Следовательно, частицы среды, между которыми расстояние , колеблются с одинаковой фазой. Итак, длина волны – это минимальное расстояние вдоль луча между частицами, которые колеблются синфазно (рис. 9).

Звуковое давление

При отсутствии звука атмосфера (воздух) является невозмущённой средой и имеет статическое атмосферное давление (
).

При распространении звуковых волн к этому статическому давлению добавляется дополнительное переменное давление, обусловленное сгущениями и разрежениями воздуха. В случае плоских волн можно записать:

где p зв, max – амплитуда звукового давления,  - циклическая частота звука, k – волновое число. Следовательно, атмосферное давление в фиксированной точке в данный момент времени становится равным сумме этих давлений:

Звуковое давление – это переменное давление, равное разности мгновенного фактического атмосферного давления в данной точке при прохождении звуковой волны и статического атмосферного давления при отсутствии звука :

Звуковое давление в течение периода колебаний меняет своё значение и знак.

Звуковое давление практически всегда намного меньше атмосферного

Оно становится велико и соизмеримо с атмосферным при возникновении ударных волн во время мощных взрывов или при прохождении реактивного самолета.

Единицами измерения звукового давления служат следующие:

- паскаль в СИ
,

- бар в СГС
,

- миллиметр ртутного столба ,

- атмосфера .

На практике приборы измеряют не мгновенное значение звукового давления, а так называемое эффективное (или действующее ) звуковое давление . Оно равно квадратному корню из среднего значения квадрата мгновенного звукового давления в данной точке пространства в данный момент времени

(44)

и поэтому называется также среднеквадратическим звуковым давлением . Подставляя выражение (39) в формулу (40), получим:

. (45)

Звуковое сопротивление

Звуковым (акустическим) сопротивлением называют отношение амплитуд звукового давления и колебательной скорости частиц среды:

. (46)

Физический смысл звукового сопротивления : оно численно равно звуковому давлению, вызывающему колебания частиц среды с единичной скоростью:

Единица измерения звукового сопротивления в СИ – паскаль-секунда на метр :

.

В случае плоской волны скорость колебаний частиц равна

.

Тогда формула (46) примет вид:

. (46*)

Существует также и другое определение звукового сопротивления, как произведение плотности среды и скорости звука в этой среде:

. (47)

Тогда его физический смысл состоит в том, что оно численно равно плотности среды, в которой распространяется упругая волна с единичной скоростью:

.

Кроме акустического сопротивления в акустике используется понятие механическое сопротивление (R м ). Механическое сопротивление представляет собой отношение амплитуд периодической силы и колебательной скорости частиц среды:

, (48)

где S – площадь поверхности излучателя звука. Механическое сопротивление измеряется в ньютон-секундах на метр :

.

Энергия и сила звука

Звуковая волна характеризуется теми же энергетическими величинами, что и упругая волна.

Каждый объем воздуха, в котором распространяются звуковые волны, обладает энергией, складывающейся из кинетической энергии колеблющихся частиц и потенциальной энергии упругой деформации среды (см. формулу (29)).

Интенсивность звука принято называть силой звука . Она равна

. (49)

Поэтому физический смысл силы звука аналогичен смыслу плотности потока энергии: численно равна среднему значению энергии, которая переносится волной за единицу времени через поперечную поверхность единичной площади.

Единица измерения силы звука – ватт на квадратный метр:

.

Сила звука пропорциональна квадрату эффективного звукового давления и обратно пропорциональна звуковому (акустическому) давлению:

, (50)

или, учитывая выражения (45),

, (51)

где R ак – акустическое сопротивление.

Звук можно также характеризовать звуковой мощностью. Звуковая мощность – это общее количество звуковой энергии, излучаемой источником в течение определённого времени через замкнутую поверхность, окружающую источник звука :

, (52)

или, учитывая формулу (49),

. (52*)

Звуковая мощность, как и любая другая, измеряется в ваттах :

.

Субъективные характеристики звука. Спектральная чувствительность звука. Восприятие звука человеческим ухом*.

Субъективные характеристики звука

Субъективные характеристики звука определяются способностью органов слуха человека воспринимать звуковые колебания. Восприятие индивидуально.

Уровень силы звука

и разность уровней силы звука

Замечено, что ухо человека регистрирует изменение силы звука по логарифмическому закону. Это означает, что важно не абсолютное значение силы звука, а её логарифмическое значение. Величину lg (I ) , равную десятичному логарифму силы звука (интенсивности), называют логарифмическим уровнем силы звука .

Величину L , равную разности логарифмических уровней, называют разностью уровней силы звука

,

. (53)

Единица измерения уровня силы звука и разности уровней – бел :

,
.

Один бел – это разность уровней силы звука по шкале десятичных логарифмов, если сила звука увеличилась десятикратно :

.

Стократное увеличение силы звука соответствует двум белам

Тысячекратное увеличение равно трём белам

Минимальная разница уровней интенсивности звука, которую способно воспринять наше ухо, равна одному децибелу :

.

Поэтому на практике вместо формулы (53) применяют формулу:

. (54)

Замечание :

Если уровень звука определять не десятичным, а натуральным логарифмом

,

то единицей измерения служит непер :

.

Один непер – это разность уровней силы звука по шкале натуральных логарифмов, если отношение силы звука равно 10 :

.

Связь между белом и непером:

Воспринимаемый звук имеет нижний и верхний пределы, т. е. минимальную и максимальную интенсивность:

.

Минимальное значение интенсивности звука (силы звука), воспринимаемого ухом человека, называют порогом слышимости: .

Сила звука ниже порога слышимости

человеком не воспринимается.

Относительно порога слышимости разность уровней силы звука определяют по формулам:

, (55)

или
(56)

Если сила звука равна порогу слышимости, то

Эту величину L 0 называют нулевым (или пороговым ) уровнем громкости .

Пример : смысл выражения "уровень звука в колонках равен ста децибелам ".

Означает: Относительно порога слышимости разность уровней силы звука равна
.

Сравним с формулой (56):
.

Следовательно,

С другой стороны,
.

Поэтому
,

В результате, абсолютное значение силы звука равно:

.

Максимальное значение интенсивности звука, который воспринимает ухо человека, называют болевым порогом :

Сила звука выше болевого порога

человеком не воспринимается, но вызывает боль ушах.

Разница между уровнями болевого порога и порога слышимости называется динамическим диапазоном слуха и равна

. (57)

Если звук издаётся двумя и более источниками звука с уровнями силы звука L 1 , L 2 , … , L i , …, L N , то их суммарный уровень звука определяется по формуле:

(58)

Уровень громкости

и разность уровней громкости

В соответствии с выражением (51) сила звука пропорциональна квадрату амплитуды звукового давления:

.

Величину lg (p зв, max 2 ) , равную десятичному логарифму от квадрата амплитуды звукового давления, называют уровнем громкости .

Разностью уровней громкости называют величину L p , равную разности

. (59)

Единица измерения уровня громкости и разности уровней громкости – бел , а также дБ :

,
.

Следовательно,

. (61)

(62)

Минимальное звуковое давление (p 0 ) называют пороговым давлением . Относительно порогового давления разность уровней громкости (на стандартной частоте 1000 Гц ) равна

(63)

(64)

Спектральная чувствительность уха

Чувствительность человеческих органов слуха неодинакова для различных частотных диапазонов. Поэтому существует спектральная чувствительность уха: звуки одной и тоже интенсивности (силы) I , но разной частоты  ухо человека воспринимает по-разному.

Наглядно спектральную чувствительность изображают с помощьюкривых чувствительности – графиков зависимостей силы звука I ( ), уровня силы звука L I ( ) и давления звука p ( ) от частоты звука , представленных в логарифмическом масштабе (рис. 13).

Верхняя кривая соответствует механическим воздействиям на слух человека, граничащим с болевым восприятием интенсивности звуков соответствующей частоты. Нижняя кривая соответствует порогу слышимости при указанных частотах. Видно, что чувствительность селективно меняется в зависимости от частоты звука в пределах от порога слышимости до порога болевого ощущения звука. Для каждой частоты существует определённые значения порога слышимости I 0 и болевого порога I Б .

1. Для звука частотой 100 Гц порог слышимости, его уровень и минимальное звуковое давление составляют

,
,
,

а болевой порог, его уровень и максимальное звуковое давление –

,
,
;

на такой частоте равен

2. Частота звука 1000 Гц в физиологической акустике принимается как стандартная частота . Порог слышимости на стандартной частоте называют стандартным порогом слышимости . Стандартный порог слышимости, его уровень и минимальное звуковое давление соответственно равны

,
,
.

Для звуков со стандартной частотой порог болевого ощущения , его уровень и максимальное звуковое давление имеют значения:

,
,
.

Динамический диапазоном слуха для стандартной частоты составляет

Примеры разности уровней силы звука стандартной частоты приведены в табл. 7.

Таблица 7.

Звуковой объект	Разность уровней звука, дБ
Слуховой порог	0 (=L 0 )
Шепот на расстоянии 1 м
Шум в квартире
Шепот на расстоянии 10 см
Тихий разговор на расстоянии 1 м
Аплодисменты
Обычный разговор
Игра на гитаре пальцами (на расстоянии 40 см )
Тихая игра на фортепиано
Игра на гитаре медиатором (на расстоянии 40 см )
Шум в метро во время движения
Фортиссимо оркестра
Реактивный самолет на расстоянии 5 м	120 (=L Д )
Барабанный бой на расстоянии 3 см	140 (>L Д , I > I Б )

При 140 дБ ощущается сильная боль, при 150 дБ наступает повреждение ушей. В целом желательно, чтобы рабочий диапазон уровня громкости, охватывающий все частоты, не превышал 100 - 110 дБ .

3. Чтобы услышать звук частотой 10 кГц потребуется источник звука, обеспечивающий порог слышимости, его уровень и минимальное звуковое давление:

,
,
,

Уши на этой частоте звука начнут болеть при значениях болевого порога, его уровня и максимальном звуковом давлении

,
,
.

Динамическим диапазоном слуха для такой частоты составляет

Замечание : Равным интервалам уровня громкости (звукового давления) соответствуют разные уровни силы звука (интенсивности). Поэтому для характеристики уровней громкости вводится единица – фон. Фон – разность уровней громкости двух звуков данной частоты, для которых звуки с частотой 1000 Гц , имеющие такую же громкость, отличаются по интенсивности на 10 дБ . Фоны отсчитываются от нуля, равного интенсивности порога слышимости. Для звуковых волн с частотой 1000 Гц уровень громкости звука совпадает с уровнем его интенсивности.

Более подробно кривые чувствительности I ( ) и L I ( ) даны на рис. 14.

Основные понятия и определения. Слуховое восприятие как средство получения информации является для человека вторым по значению (после зрительного) психофизиологическим процессом.

Шум – всякий нежелательный для человека звук. Звуковые волны возбуждают колебания частиц звуковой среды, в результате чего изменяется атмосферное давление.

Звуковое давление – разность между мгновенным значением давления в точке среды и статическим давлением в той же точке, т.е. давление в невозмущённой среде: Р = Р мг – Р ст .

Звуковое давление – величина знакопеременная. В моменты сгущения (сжатия или уплотнения) частиц среды она положительна; в моменты разрежения – отрицательна.

Органы слуха воспринимают не мгновенное, а среднеквадратичное звуковое давление:

Время усреднения давления: Т о = 30 – 100 мс.

При распространении звуковой волны происходит перенос энергии .

Средний поток энергии в точке среды в единицу времени, отнесённый к единице поверхности, нормальной направлению распространения волны, называется интенсивностью звука (силой звука) в данной точке.

Интенсивность, Вт/м 2 , связана со звуковым давлением зависимостью

где ρ×с – удельное акустическое сопротивление.

Величины звукового давления и интенсивности звука, с которыми приходится иметь дело в практике борьбы с шумом, могут меняться в широких пределах: по давлению – до 10 8 раз, по интенсивности – до 10 16 раз. Оперировать такими цифрами несколько неудобно.

Кроме того, слуховой анализатор подчиняется основному психофизическому закону (Вебера-Фехнера):

где Е – интенсивность ощущений; I – интенсивность раздражителя; С и К – некоторые постоянные величины.

Поэтому были введены логарифмические величины уровня звукового давления и интенсивности звука.

Уровень звукового давления, дБ:

где Р о = 2×10 -5 Па – пороговое звуковое давление; Р – среднеквадратичная величина звукового давления.

Уровень интенсивности звука, дБ:

где I – действующая интенсивность звука; I о = 10 -12 Вт/м 2 – интенсивность звука, соответствующая порогу слышимости (на частоте 1000 Гц).

Величину уровня интенсивности применяют при получении формул акустических расчётов, а уровня звукового давления – для измерения шума и оценки его воздействия на человека, поскольку орган слуха чувствителен не к интенсивности, а к среднеквадратичному давлению.

Интенсивность I max и величина звукового давления P max , соответствующие болевому порогу: I max = 10 2 Вт/м, P max = 2×10 2 Па.

Частотный спектр шума – зависимость уровня интенсивности (уровня звукового давления) от частоты: L = L(ƒ). Весь слышимый диапазон частот разбит на 9 октавных полос. Октавная полоса, или октава – это частотный диапазон, для которого выполняется условие

Различают следующие виды спектров:

- дискретный (линейчатый) – спектр, синусоидальные составляющие которого отделены друг от друга по частоте (рис. 6.1);

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.

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

20

Широкополосные спектры вибрации (октавные и дольоктавные) используются для контроля вибрации (и шума) механизмов, в которых частота вращения от измерения к измерению (и в процессе измерения) может изменяться, а границы этого изменения задаются в процентах от известной средней частоты.

В таких спектрах по осям координат указываются логарифмические единицы измерения - дБ для отображения величины (уровня) составляющей сигнала и номера октавы для отображения ее частоты. В то же время для удобства сравнения дольоктавных спектров разной относительной ширины (октавных, 1/3октавных, 1/6-октавных, 1/12октавных и т.д.) стандартизованы не номера полос, а их средние (точнее средние геометрические) частоты в Герцах. Соответственно эти частоты и приводятся на графиках дольоктавных спектров.

В задачах мониторинга состояния механизмов по вибрации каждый из независимых режимов их работы по частоте вращения обычно задается с точностью +/- 5% (либо задается зона допустимых изменений частоты вращения в одном режиме шириной 10-15%). Оптимальным для мониторинга состояния с таким диапазоном изменения частоты вращения является третьоктавный спектр вибрации, измеряемый в контрольных точках.

Граничные частоты полос дольоктавных спектров определяются соотношением:

, где

f 0 - средняя геометрическая частота, f н - нижняя граничная частота, f в - верхняя граничная частота .

Верхняя и нижняя граничные частоты каждой полосы третьоктавного спектра связаны соотношением
, т.е. их граничные частоты отличаются на одну треть октавы. Ширина полосы третьоктавного фильтра равна 23% от его средней геометрической частоты, это значит, что чем выше средняя частота, тем шире соответствующая частотная полоса, однако в логарифмическом масштабе ширина полос одинакова (см. рис Г.1).

Базовая средняя геометрическая частота взята из акустики - 1000Гц, это частота, на которой чувствительность органов слуха человека принимается за максимальную. Соответственно от нее в обе стороны по частоте идет отсчет среднегеометрических частот октавных полос (на низких частотах с округлением), а от этих среднегеометрических частот идет отсчет дольоктавных среднегеометрических частот. Стандартизированы только октавные и третьоктавные среднегеометрические частоты (ГОСТ 17168-82). Значения нижних и верхних граничных частот для каждой третьоктавной полосы приведены в таблице Г.1.

Рис. Г.1 - Характерные частоты третьоктавных фильтров.

Таблица Г.1. Среднегеометрические и граничные частоты третьоктавных фильтров

В задачах идентификации состояния механизма необходимо определять, в какие полосы широкополосного спектра вибрации попадают те гармонические составляющие вибрации контролируемого объекта, которые отвечают за появление конкретных дефектов. Наиболее точно эта задача решается, если частота вращения известна с высокой точностью (менее 1-2%), например, по данным, получаемым из систем управления объектами контроля.

В том случае, если частота гармонической составляющей вибрации, используемой в качестве диагностического параметра, близка к граничным частотам соседних фильтров, при росте уровня гармонической составляющей вибрации в третьоктавном спектре может расти сразу две ближайшие по частоте составляющие. В этом случае рост величины гармонической составляющей вибрации может быть выше регистрируемого роста уровня соседних составляющих третьоктавного спектра вибрации на величину до 3дБ для случая, когда частота гармонической составляющей попадает точно между соседними третьоктавными полосами спектра.