Структурна схема системи зв’язку та її елементи

Структурна схема системи зв’язку та її елементи

У процесі людської діяльності виникає потреба в передачі відомостей з місця їх виникнення до деякої віддаленої точки. Сукупність відомостей, або інформацію, яка повинна бути передана, називають повідомленням, а саме джерело виникнення – джерелом повідомлення (ДП).

Залежно від характеру повідомлення (кількості станів, в якому воно може знаходитись) розрізняють безперервні та дискретні повідомлення.

Для передачі повідомлення по лінії зв’язку використовують деякий фізичний процес як матеріальний носій інформації. Фізична величина, яка змінюється та відтворює стан джерела повідомлення, називається сигналом. Прикладом сигналів можуть бути струм у проводі, акустична хвиля в повітрі, електромагнітне поле і ін.

Будь-який сигнал можна подати у вигляді функції , де , . Якщо множини Х та Т мають нескінченну кількість елементів, то такі сигнали називають аналоговими. Якщо тільки множина Т має кінцеву кількість елементів, то сигнали називають дискретними. У разі, коли Х та Т мають фіксовану кількість елементів, сигнали називають цифровими. Пристрої, які перетворюють повідомлення в сигнал, називають перетворювачами повідомлень (ПП). В якості ПП виступають мікрофони або ларингофони.

Середовище, в якому поширюється сигнал від передавача до приймача, називають лінією зв’язку. Лінії зв’язку (ЛЗ) бувають акустичні та електричні і в свою чергу поділяються на радіолінії та проводні лінії зв’язку.

В системах радіозв’язку для передачі сигналів за допомогою радіоліній використовують радіопередавачі (РПД) та радіоприймачі (РПМ).

Сукупність пристроїв, які забезпечують незалежну передачу та прийом інформації від джерела повідомлень до одержувача повідомлення (ОП), називають каналом зв’язку (КЗ).

Система зв’язку (СЗ) – це впорядкована сукупність каналу зв’язку, джерела та одержувача повідомлень, яка характеризується заданими правилами перетворення повідомлення в сигнал і відновлення повідомлення за прийнятим сигналом. Основним призначенням системи зв’язку є передача із заданою якістю інформації від джерела до одержувача повідомлення [1].

Структурна схема системи зв’язку показана на рис. 1.1.

Рис.1.1. Структурна схема системи зв’язку

Крім вищезгаданих скорочень, на рис. 1.1:

З – джерело завад;

СЧ – синтезатор частот;

ПС – перетворювач сигналу в повідомлення.

Системи зв’язку можна класифікувати за такими ознаками:

за призначенням:

– системи радіомовлення та телебачення;

– системи професійного зв’язку;

за видом джерела повідомлення:

– СЗ для передачі безперервних повідомлень;

– СЗ для передачі дискретних повідомлень;

за видом сигналу:

– аналогові СЗ;

– дискретні СЗ;

– цифрові СЗ;

за видом модуляції:

– системи з амплітудною модуляцією;

– системи з частотною модуляцією;

– системи з фазовою модуляцією;

– системи з імпульсною модуляцією;

– системи з шумоподібними сигналами;

за частотами, що використовуються;

за кількістю повідомлень, які передаються одночасно:

– одноканальні СЗ;

– багатоканальні СЗ;

за порядком обміну повідомленнями і т. ін.

Технічні канали витоку мовної інформації

Короткі відомості з акустики

Звукове поле

Звукове поле являє собою простір, в якому поширюється звукові коливання. Звукові коливання в газоподібної і рідкої середовищах є поздовжніми, так як частинки речовини середовища коливаються вздовж лінії поширення звуку r (рис. 1.8, а). Під дією джерела звуку, наприклад, гармонійного характеру, створюються стиснення і розрідження середовища, які переміщуються від джерела зі швидкістю звуку. Швидкість звуку в повітряному середовищі при нормальному атмосферному тиску і температурі 20°С приблизно дорівнює с_зв ≈ 340 м/c.

Хвилеподібна зміна щільності р середовища (рис. 1.8, б), обумовлена звуковими коливаннями, називають звуковим променем, а поверхня з однаковими фазами коливань - фронтом хвилі. Фронт хвилі перпендикулярний звуковому променю.

а б

Рис. 1.8. Звукові коливання (а) і зміна звукового тиску у фіксованій точці звукового поля (б)

Частота коливань f = 1/T визначається періодом коливань, а довжина звукової хвилі λ = сТ. Частоти звукових коливань знаходяться в смузі частот від 20 до 20000 Гц. Частоти нижче 20 Гц називають інфразвуковими, а вище 20000 Гц - ультразвуковими. У системах зв'язку довжини звукових хвиль знаходяться в межах від 17-11,3 м до 2,27-1,7 см. Частоти коливань поділяються на низькі, середні і високі звукові частоти. До низьких відносяться частоти в діапазоні від 20 до 500 Гц, до середніх – від 500 до 2000 Гц, до високих – від 2000 до 20000 Гц.

Звукове поле характеризується деякими лінійними і енергетичними величинами.

Плоска хвиля

Плоска хвиля є випадком спрямованого випромінювання звуку джерелом, коли звукові промені паралельні один одному і перпендикулярні напрямку поширення. Паралельність променів вказує на те, що енергії не розходиться в просторі. При цьому фази звукових коливань будуть однакові в перпендикулярних напрямку поширенням звукових хвиль перетинах. Плоска хвиля виникає в тих випадках, коли розміри звукових випромінювачів більше довжини хвилі. В ідеальному випадку (при відсутності в'язкості середовища) інтенсивність звуку не повинна була б зменшуватися, але реально втрати існують. У розрахунках для невеликих відстаней зазвичай цими втратами нехтують.

Нехай джерело випромінює плоску хвилю гармонійної форми р_зв= р_зв.m e ^jωt з нульовою початковою фазою. На деякій відстані r від джерела тиск внаслідок інерційності середовища буде запізнюватися по фазі на час τ = r/c_зв і прийме значення р_зв = р_зв.m e ^jω(t-τ). (1.5)

Введемо поняття хвильового числа k = ω/c = 2π/λ, яке визначає коефіцієнт зміни фази на одиницю відстані, а вираз (1.5) представимо у формі р_зв = р_зв.m e ^j(ωt-ωτ). З урахуванням того, що c_зв = ω/k, а ωτ = ωr/с = ωrk/ω = kr, вираз (1.5) приймає більше зручну форму р_зв = р_зв.me ^{j(ωt - kr)}. (1.6)

Як випливає з раніше отриманого виразу (1.1) – а перша похідна за часом від коливальної швидкості – звідки з урахуванням (1.6) визначимо

(1.7)

 

Порівняння виразів (1.6) і (1.7) показує, що звуковий тиск і коливальна швидкість в плоскій хвилі не мають зсуву по фазі.

Якщо врахувати, що р_зв = р_зв.me ^{j(ωt - kr)} і c_зв = ω/k,, то вираз (1.7) можна представити як

(1.8)

 

де z_a = ρc_зв називають питомим акустичним опором.

Добуток питомої акустичного опору на всю площу поверхні акустичного випромінювача складає повний опір середовища (опір випромінювання):

z_R = z_a S = ρc_звS = p_звS/v = F/v (1.9)

В силу відсутності зсуву по фазі між звуковим тиском і коливальною швидкістю опір випромінювання є активним.

З введенням понять питомої акустичного опору і опору випромінювання вирази для сили звуку і випромінюваної акустичної потужності приймають вигляд:

I = p_звv = v² z_a = р_зв.т ²/ z_a

P = IS = v² z_a S = v²z_R. (1.10)

Сферична хвиля

Сферична хвиля у ідеальному випадку створюється пульсуючим шаром з радіусом R (рис. 1.10), звукова енергія якого поширюється рівномірно в усіх напрямках, або іншими словами - звукові промені у напрямку збігаються з радіусами сфери.

Сила звуку І₁ на поверхні фронту сферичної хвилі (рис. 1.10) згідно визначається як

де P - випромінювана потужність, S ₁ - площа фронту хвилі, r₁ - відстань від центру випромінювача. На відстані r₂ сила звуку

 

 

Рис. 1.10. Випромінювання

сферичної хвилі

 

З двох останніх виразів випливає, що сила звуку в сферичної хвилі убуває назад пропорційно квадрату відстані від випромінювача.

У просторі положення точки можна визначати в декартовій системі координат Х, Y, Z, або в полярній системі координат (рис. 1.11). В останньому випадку виходять більш прості вирази, оскільки положення довільної точки О в просторі визначається радіус-вектором r, азимутом Ψ і кутом Θ між радіусом-вектором і віссю Z. Так як фронт хвилі являє собою сферичну поверхню, то всі крапки середовища, що знаходяться на такій поверхні будуть коливатися синфазно з однаковою амплітудою. Значення амплітуди і фази коливань залежатимуть тільки від відстані від джерела звуку.

Для довільного значення r можна записати вирази для звукового тиску р_зв = р_зв.me ^{j(ωt - kr)} (1.11)

і для інтенсивності звуку (1.12)

 

З іншого боку згідно (1.10) I = р_зв.т ²/2 z_a

 

 

Рис. 1.11. Визначення положення точки простору в різних системах координат

Прирівнюючи вирази (1.10) і (1.12) для сили звуку, отримаємо

 

 

звідки визначимо амплітуду звукового тиску як

(1.13)

 

 

Підставивши (1.13) в (1.11) визначимо тиск в довільній точці простору:

(1.14)

 

Для визначення коливальної швидкості розглянемо виражения для рівняння руху (1.1) і звукового тиску (1.14). З рівняння руху випливає, що, а

(1.15)

Після інтегрування рівняння руху з урахуванням (1.15) і спрощення наведемо остаточний результат:

(1.16)

 

де фазовий зсув φ = arctg 1/kr

Аналіз виразів (1.14) і (1.16) показує, що:

1. Амплітуди звукового тиску і коливальної швидкості обернено пропорційні відстані від випромінювача. Це пов'язано з тим, що площа фронту звукової хвилі збільшується в міру віддалення від випромінювача, а, отже, зменшується звукова енергія на одиницю площі.

2. Коливальна швидкість відстає по фазі від тиску. У ближній зоні (при виконанні умови r <<λ) фазовий зсув значний і у поверхні випромінювача φ = 90 °. У дальній зоні фазовим зрушенням можна знехтувати.

Звукові сигнали

Всі звуки поділяються на кілька груп.

Чисті тони. Чисті тони мають місце, якщо звуковий тиск являється гармонійною функцією з постійними частотою, амплітудою і початковою фазою. На слух тони сприймаються в залежності від частоти і амплітуди як тихі або голосні, високі або низькі.

Співзвуччя. Співзвуччя являє собою стаціонарний звук, що складається з декількох тонів. У більшості випадків під співзвуччям розуміють комбінацію основного тону і декількох обертонів з кратними частотами. Звуковий тиск співзвуччя описується періодичною несинусоїдальною функцією часу, що можна розглядати як суму визначених гармонік ряду Фур'є.

Амплітудно-модульовані тони. Амплітудно-модульовані (АМ) тони є нестаціонарними сигналами постійної (несучої) частоти, амплітуда яких є функцією часу. Спектр АМ коливання має несучу частоту і дві бічні складові. Модулюючий сигнал може мати як гармонійну, так і будь-яку іншу форму.

Частотно-модульовані тони. Характеристиками частотно-модульованого (ЧМ) сигналу є: несуча частота, модулююча частота, девіація несучої частоти (межі зміни) і індекс модуляції - відношення девіації до модулюючої частоти. Чим більший індекс модуляції, тим більше бічних складових у частотному в спектрі. При невеликих індексах спектр ЧМ-сигналів такий же, як і у АМ-сигналів.

Частотний інтервал між складовими спектру ЧМ сигналів рівний модулюючій частоті.

Биття. Якщо два тони мають однакові частоти і амплітуди, то при зміні різниці фаз сигналів виникає биття, яке на слух сприймається як періодична зміна гучності тону.

Шуми. Звуки з безперервним спектром називаються шумами. За типом обвідної амплітудно-частотного спектра шуми поділяються на білий, рожевий і рівномірно маскуючий. Залежно від ширини частотного спектра шуми можуть бути широкосмуговими, вузькосмуговими, октавними, третьоктавними та ін.

Білий шум характеризується спектральною щільністю потужності, що не залежить від частоти. При лінійній шкалі частоті білому шуму відповідна характеристика 1 (рис. 1.12, а). Вона розташовується горизонтально по всьому частотному діапазоні. У октавної шкалі частот ця характеристика приймає вигляд прямої з підйомом +3 дБ на октаву в бік більш високих частот.

Рожевий шум. У сигналів рожевого шуму спектральна щільність потужності в лінійній шкалі частот має вигляд похилої прямої, спадаючої до області високих частот (пряма 2 на рис. 1.12, а). У октавній шкалі спектральна щільність потужності рожевого шуму є горизонтальною лінією.

Рівномірно маскуючий шум. В області частот 0... 500 Гц характеризується властивостями білого шуму, а після цього діапазону відповідає властивостям рожевого шуму (характеристика 3 на рис. 1.12, а).

Однакове маскування у всьому звуковому діапазоні частот обумовлюється тим, що критичні смуги слуху до 500 Гц по ширині приблизно однакові, а далі з ростом частоти їх полоса лінійно зростає. При сприйнятті звуку слуховий апарат людини поділяє його на критичні смуги (або частотні групи) слуху. У діапазоні частот від 20 до 16000 Гц число критичних смуг дорівнює 24.

Ширина критичних смуг слуху не пов'язана з рівнем інтенсивності сигналу. На частотах до 500 Гц ширина частотних груп Δ F_кр дорівнює приблизно 100 Гц. На частотах більше 500 Гц ширина частотних груп збільшується пропорційно середній частоті F_ср,, причому дотримується постійності відношення Δ F/F_ср = 0,2.

Рис. 1.12. Частотні характеристики спектральної щільності потужності шумів: а - в лінійній шкалі частот; б - в октавной шкалою частот, 1 - білий шум, 2 - рожевий шум, 3 – рівномірно маскуючий шум

Графік залежності ширини критичної смуги слуху від її середньої частоти наведено на рис. 1.13.

На інтервалах частотних груп слух інтегрує збудження по частоті і не реагує на особливості структури порушення. З цієї ж причини слух сприймає не загальну потужність шуму, а тільки потужність шуму в критичних смугах слуху.

При дії широкосмугового шуму слуховий аналізатор виділяє із суцільного спектра дискретний спектр, число складових якого дорівнює числу критичних смуг слуху.

Рівномірно маскуючий шум можна сформувати спеціальним фільтром з сигналу білого шуму.

Частотні характеристики спект- ральної щільності потужності шумів в октавній шкалі частот показані на рис. 1.12, б.

Рис. 1.13. Залежність ширини критичної смуги слуху від її середньої частоти

Звукове поле в приміщенні

У закритих приміщеннях звукові хвилі багаторазово відбиваються від огороджувальних поверхонь, в результаті чого створюється складна картина звукового поля. Закони розподілу характеристик звукового поля в даній ситуації визначаються не тільки властивостями джерела звуку, а й іншими факторами - геометрією приміщення; здатністю стін, стелі і підлоги поглинати і відбивати звукову енергію. Тому звукові поля в закритому приміщенні і у вільному просторі мають різні структури. Якщо у вільному просторі інтенсивність звуку визначається потоком енергії в напрямку поширення хвилі, то в приміщенні результуючий потік енергії має дві складові - прямий потік і відбитий (іноді багаторазово) потік. Напрямок потоків енергії відбитих хвиль залежить від особливостей планування приміщення і ступеня поглинання звукової енергії поверхнями огороджувальних конструкцій. У цій ситуації визначення інтенсивності звуку в класичному розумінні застосовується.

Прийнятною енергетичною характеристикою звукового поля в приміщенні є щільність звукової енергії ε.

Якщо приміщення не містить фокусуючих поверхонь і геометричних симетричних перетинів, а розміри приміщення значно більше довжини хвилі і якщо огороджувальні конструкції не сильно поглинають звукову енергію, то через деякий час при безперервному дії джерела звуку через довільний елемент перетину приміщення в кожний момент часу буде проходити велику кількість окремих хвиль, поширювати в різних напрямках. У результаті звукове поле буде характеризуватися такими властивостями:

• потоки енергії цих хвиль в усіх напрямках різновірогідні;

• щільність звукової енергії ε звукового поля по всьому об'єму приміщення постійна.

Рівновірогідності потоків енергії хвиль називають ізотропією звукового поля, а сталість звукової енергії за обсягом приміщення - однорідністю. Якщо звукове поле є ізотропним і однорідним, то його називають дифузним. Для дифузного поля характерна відсутність явищ інтерференції.

Процес наростання щільності звукової енергії в приміщенні протікає дуже швидко і непомітно для слуху. Процес спаду (поглинання) звукової енергії, званий реверберацією, протікає значно повільніше і помітно для слуху. Відлуння впливає на слухове сприйняття.

Поглинання звукової енергії здійснюється не тільки огороджуючими конструкціями приміщення, а й повітряним середовищем. Втрати енергії в повітряному середовищі обумовлені в'язкістю і теплопровідністю повітря, а також молекулярним поглинанням. Поглинання звукової енергії повітрям залежить від пробігу звукової хвилі і визначається як

ε = ε₀ е^-μl, (1.35)

де l = c_зв t - довжина пробігу звукової хвилі; ε₀ - усталена щільність звукової енергії в приміщенні; μ - коефіцієнт загасання, рівний зворотному значенням шляху, на якому щільність енергії зменшується в е разів. Коефіцієнт загасання μ = 52,5 F²η /cρ₀ залежить від щільності ρ₀, в'язкості η повітря, частоти F, а також від температури і вологості повітря.

Звуковий фон в приміщенні

Звуковий фон в приміщенні утворюють шуми, які проникають в приміщення від різних сторонніх і внутрішніх джерел. З суміжних приміщень проникають шуми через звукопровідності будівельних конструкцій, що обгороджують приміщення. Шуми вібраційного походження утворюються від працюючих в будівлі машин і механізмів. Системи кондиціонування і вентиляції створюють внутрішні шуми, до яких можна віднести також шуми технологічного обладнання (наприклад, шуми вентиляторів комп'ютерів та інших електронних пристроїв).

Характеристики приміщення

Акустичне ставлення. Загальна звукове поле в приміщенні визначається сумою полів «прямого» звуку і звуку відбитого від огороджуючих конструкцій. Поле відбитих хвиль в більшості випадків можна вважати дифузним. Відношення щільності енергії відбитих звуків до щільності енергії прямого звуку R = ε_диф ε_пр називають акустичним відношенням. Акустичне ставлення може бути виражене через звукові тиски як

R = p_диф²/p_пр² (1.36)

Акустичне ставлення, виражене в рівнях, приймає вид

ΔL_R = 10lgR = L_диф - L_пр. (1.37)

Відбиті звукові хвилі можна віднести до перешкод, тому акустичне ставлення є важливою характеристикою акустичних властивостей приміщення в стаціонарних режимах. Акустичне ставлення рідко буває менше одиниці, тобто рівень відбитих хвиль в більшості випадків вище рівня поля прямого звуку.

Якщо в приміщенні джерело звуку з акустичною потужністю Р_а створює дифузне звукове поле, то щільність звукової енергії буде визначатися виразом ε₀ = 4Р_а /с_зв α S, звідки випливає

Р_а = ε₀ с_зв α S/4, (1.38)

де α = I/I_пад - середнє значення коефіцієнта звукопоглинання; I - інтенсивність поглинається енергії; I_пад - інтенсивність падаючої енергії; S - загальна площа.

Для визначення частини звукової потужності Р_а^``, яка проникає з приміщення через стіну, можна скористатися виразом, замінивши в ньому коефіцієнт звукопоглинання α коефіцієнтом звукопровідності γ_п, а S - площею перепони S_п:

(1.39)

 

де I_зв = ε₀ с_зв - інтенсивність звуку, що падає на стіну.

Звукоізоляція приміщень

Звукоізоляція приміщень характеризує рівень проникнення шумів ззовні і витік мовної інформації з приміщення.

Розглянемо найбільш характерний випадок: проникнення звукових сигналів з ​​одного приміщення в інше через суміжну перегородку (рис. 1.20).

 

Джерело

звуку

 

 

Рис. 1.20. Звукоізоляція приміщень

При дії звукових хвиль з інтенсивністю I_пад на перегородку великих розмірів у порівнянні з довжиною хвилі інтенсивність хвиль по іншу сторону перегородки I_пр при відсутності відображення звуку в іншому приміщенні буде визначатися провідністю перегородки, яка характеризується коефіцієнтом звукопровідності

α_пр = I_пр/I_пад (1.41)

або звукоізоляцією перегородки

(1.42)

 

де L_пад і L_пр - рівні інтенсивності звукових хвиль, що падають на перегородку і пройшли через неї. Звукові хвилі, проникнувши в приміщення, відбиваються від його внутрішніх поверхонь і збільшують в ньому інтенсивність звуку.

Можна вважати, що добуток інтенсивності звуку I_пр, що пройшов через перегородку, на площу перегородки S_пр буде представляти собою потужність Р_а = I_прS_пр, а щільність енергії в приміщенні

(1.43)

 

де α_срS = A - загальне поглинання обмежуючих поверхонь приміщення. Тоді рівень звуку в приміщенні

(1.44)

 

Так як інтенсивність нульового рівня ε₀ с_зв = I₀, то величина 10lg(I_пр/I₀) = L_пр є рівнем хвиль, що пройшли перегородку. З урахуванням цих зауважень вираз (1.44) можна записати у вигляді

(1.45)

 

З виразу (1.45) випливає, що складова 10lg(S_пр /α_ср S) відповідає збільшенню інтенсивності звуку через його віддзеркалення від обмежуючих суміжне приміщення поверхонь.

Звукоізоляцією приміщення Q_з називають різницю між рівнями звуку із зовнішнього боку захисної конструкції L₁ і всередині суміжного приміщення L₂:

Q_з = L₁ - L₂ = 10lg (I₁/I₀) - 10lg (I_2/I₀) = 10lg (I₁/I₂), (1.46)

де I₁ і I₂ - інтенсивності звуку, відповідні рівням L₁ і L₂.

Враховуючи, що рівень інтенсивності звуку у перегородки з боку основного приміщення L₁ = L_пад, а згідно (1.42) Q_пер = L_пад - L_пр, звідки слідує L_пад = Q_пер + L_пр. Тоді, беручи до уваги значення L₂ з виразу (1.45), вираз (1.46) перетворимо до виду

Q_з=L₁-L₂=L_пад-L₂=Q_пер+L_пр-L₂=Q_пер+L_пр-[L_пр+10lg(S_пр/α_срS)]=

=Q_пер-10lg(S_пр/ α_ср S) (1.47)

З (1.47) випливає, що звукоізоляція приміщення визначається звукоізоляцією огороджувальних конструкцій з поправкою 10lg(S_пр/ α_ср S) на збільшення рівня інтенсивності минулого звуку через відбиття від внутрішніх поверхонь суміжного приміщення. Величина поправки залежить від відношення площі перегородки S_пр до загального поглинання приміщення α_ср S. У лункому приміщенні звукоізоляція буде знижуватися, а в заглушених приміщеннях буде визначатися тільки звукоізоляцією перегородки.

Якщо вважати, що звукові хвилі проникають через складну перегородку, що складається з декількох ділянок з різною звукопровідністю без взаємного впливу, то загальна потужність звукових хвиль, що пройшли дорівнюватиме сумі потужностей окремих ділянок перегородки:

 

де I_пр.k - потік енергії через одиницю k -й поверхні площею S_пр.k.

Проходження звуку через огороджувальні конструкції можливо різними шляхами, в першу чергу через щілини й наскрізні пори (так званий повітряний перенос). Через матеріал перегородок звук проникає із-за поздовжніх коливань (матеріал перенесення) поперечних коливань, схожих з коливаннями мембрани (мембранний перенос). Мембранні коливання в першому наближенні можна розглядати як коливання перегородки як єдиного цілого з коефіцієнтом звукопровідності, обернено пропорційним загальній масі і з низькою резонансною частотою. З підвищенням частоти звуку звукова провідність перегородки пропорційно зменшується.

При матеріальному перенесенні звукопровідність перегородки залежить від відношення питомих акустичних опорів повітря і матеріалу перегородки, які від частоти не залежать.

Від розмірів щілин, пор і т.п., від їх розташування і від тертя повітря об поверхні стінок пор залежить ефективність повітряного переносу. Якщо є не менше двох пор, віддалених один від одного на відстань більше довжини звукової хвилі, то в результаті дифракції звукові хвилі, що падають на перегородку на відстані менше половини довжини хвилі від щілин, будуть також йти через щілини. Провідність такий перегородок на високих частотах буде менше, ніж на низьких.

Для зниження провідності вентиляційних каналів застосовують покриття їх звукопоглинальними матеріалами та акустичні фільтри.

Властивості та особливості акустичних каналів витоку мовної інформації з приміщень випливають з раніше розглянутих основних положень акустики. За акустичним каналам інформація може бути перехоплена за допомогою мікрофонів або безпосереднім прослуховуванням.

Найбільш небезпечними є технологічні вікна, короби комунікацій та вентиляційні конструкції з великою площею поперечного перерізу. Такі конструкції на певних частотах володіють властивостями акустичних хвилеводів, за якими звук поширюється на значні відстані. Особливо небезпечною ситуація стає, якщо поперечні розміри коробів порівняні з довжиною звукових хвиль.

Також небезпечними є звуководи з геометричними розмірами значно меншими довжини хвилі. До них відносяться всілякого виду щілини, отвори, наскрізні зазори у вікнах і дверях. Такі звуководи знижують загальну звукоізоляцію стіни в кілька разів, незважаючи на велике згасання в них звукової хвилі (до 1... 20 дБ / м).

Коливання огороджувальних конструкцій виділеного приміщення, що виникають під дією падаючої хвилі при великих площах поверхні, є причиною перевипромінювання звукової енергії. При достатній величині перевипромінювання звукової енергії мовна інформація може бути перехоплена.

Перевипромінювання є не єдиною причиною витоку мовної інформації. Вібраційні коливання будівельних конструкцій створюють один з найнебезпечніших каналів витоку інформації - віброакустичний канал. Небезпека каналу визначається тим, що затухання звукових коливань у твердих середовищах (суцільний залізобетон, металеві конструкції інженерних комунікацій, цегляна кладка тощо) характеризується низьким значенням в області звукових частот. Ця обставина визначає можливість поширення коливань на значні рас-стояння, що перевищують контрольовану зону, де можуть бути перехоплені реєструючою апаратурою. Перехоплення інформації з виділеного приміщення по несучій стіні можливий в місцях, розташованих через два поверхи від приміщення.

У деяких випадках труби інженерних комунікацій можуть створювати хвилеводи вібраційних коливань, які розповсюджують сигнали на великі відстані. Умови утворення хвилеводів вібраційних коливань визначаються значною різницею величин акустичних опорів матеріалів труб і навколишнього середовища та наявність узгоджених елементів між середовищами, наприклад, батарей опалення.

Теорія розбірливості мови

Якість зв'язку під час передачі неперетворених мовних повідомлень оцінюється розбірливістю мови, названою також артикуляцією. Під артикуляцією розуміють відсоток правильно прийнятих елементів мови із загальної кількості елементів, переданих у даному повідомленні. Як передані елементи мови можуть бути фрази, слова, склади, звуки, форманти. Тоді якість зв’язку оцінюють артикуляцією фраз I, слів W, складів S, звуків D, формант А.

Сприйняття звуку залежить від рівнів формант над порогом чутності. Під час передачі окремого звуку приймання його достовірний тільки у тому випадку, коли усі форманти даного звуку, істотні для розуміння, сприймаються слухачем, у разі передачі ряду послідовних звуків мови ця вимога не є обов’язковою. У цьому випадку звук з неповно прийнятими формантами може бути прийнятий вірно, якщо достатня кількість інших звуків була прийнята правильно. Звичайно, розбірливість звуків D певним чином пов’язують з розбірливістю формант А.

Індивідуальні розрізнення частот формант та їхнє взаємне розташування у різних людей виявляється значним, тому у разі аналізу прийнятого повідомлення мозок слухача виконує величезну роботу щодо порівняння прийнятого сигналу із “еталонами” комбінацій даного звуку, що зберігаються в “чарунках пам’яті”, причому відповідність прийнятого сигналу “еталона” встановлюється не тільки з урахуванням відхилення сигналу від “еталона”, але й імовірності появи даного звуку за попередніми звуками.

Кількісне значення артикуляції визначається експериментальним шляхом. При цьому звичайно користуються артикуляційними таблицями, що містять набір тих чи інших елементів мови. У більшості випадків артикуляційні таблиці складають зі складів чи звукосполучень, що не мають суттєвого значення.

Приклад кількісної оцінки якості зв’язку за допомогою артикуляції проілюструємо за допомогою табл. 1.2, що містить значення розбірливості елементів мови для оцінки якості зв’язку.

З табл. 1.2 видно, що абсолютні зміни форматної розбірливості за своїм значенням значно більші, ніж для звукової, складової і словесної розбірливості. Це означає, що точність вимірів за формантною розбірливістю буде значно вище, ніж за іншими видами розбірливості.

Під час оцінки однієї з основних експлуатаційних характеристик трактів передачі мови – пропускної здатності (чи часу, необхідного для передачі повідомлення) необхідно враховувати, що чим нижче якість переданої мови, тим більше часу потрібно для її повного розуміння.

 

Таблиця 1.2

Вид розбірли-вості, %	Якість зв’язку
зрив зв’язку	мінімально допустима	задовільна	добра	відмінна
A D S W I	–

Дослідження показали, що значення розбірливості формант А обернено пропорційно значенню часу Т, необхідного для повного розуміння змісту мови . Отже, розбірливість формант – це відносне значення гранично можливої швидкості передачі, тобто формантна розбірливість є найбільш показовим видом розбірливості.

Значення формантної розбірливості за умови практики з достатнім ступенем точності визначається добутком ширини частотного діапазону (у герцах) і середнього значення ефективного динамічного діапазону мови (у децибелах)

,

де – середнє значення ефективного динамічного діапазону мови по входу тракту; F – ширина частотного діапазону мови, що пропускається трактом дБ·Гц, тут Гц і дБ.

У роботі [8] зроблено цікавий висновок про те, що кількість прийнятої інформації прямо пропорційна добутку частоти, яка пропускається трактом F, середнього динамічного діапазону D і часу передачі Т:

,

тобто пропорційна добутку формантної розбірливості на час передачі.

Теорія розбірливості мови заснована на статистичному процесі сприйняття формант за умов дії шуму. За цих умов має місце маскування мови шумами, тому велике значення в теорії розбірливості мови має визначення залежності ефекту маскування від рівнів і спектрів шумів.

Для широкополосних рівномірних флуктуаційних шумів низьких і середніх рівнів поріг чутності в критичній смузі слуху визначається виразом

,

де – рівень спектра шуму; – логарифмічна ширина критичної смуги слуху, ; – рівень порога чутності в тиші.

при (1.48)

Із виразу (1.48) випливає, що в кожній ділянці частотного діапазону флуктуаційних шумів рівень порога чутності визначається рівнем спектра шуму і шириною критичної смуги слуху і як би не залежить від маскуючої дії складових на інших ділянках. Насправді маскуючий ефект на кожній такій ділянці визначається сумарною дією всіх складових шуму, причому частка кожної з них тим менше, чим далі він знаходиться від розглянутої області частот. При цьому маскуюча дія більш помітно позначається на частотах, що лежать вище частоти маскуючого тону чи шуму.

Вираз (1.48) показує, що тон може бути почутий, якщо його рівень інтенсивності дорівнює рівню шуму в критичній смузі. Для рівномірного шуму з діапазоном частот 100...4000 Гц це означає, що тон може бути почутий, якщо його рівень на нижче рівня шуму. Для частоти 1000 Гц , отже, загальний рівень шуму може бути на 18 дБ вище рівня тону. Це пояснюється високою вибірковістю слуху.

Компресія мовних сигналів

Загальні положення

Методи компресії телефонних сигналів з функціональним перетворенням мови (параметрична компресія) ґрунтуються на заміні мови її параметрами, відомості про які передаються в лінію зв’язку для відновлення повідомлення в приймальному пристрої. Найчастіше вибирають параметри, які повільно змінюються в часі, тому для передачі інформації про такі параметри треба використовувати смугу частот, вужчу ніж для передачі самої мови [8].

Пристрої для функціонального перетворення мови називають вокодерами (від англ. voice – голос та coder – кодувальник).

Робота вокодерів ґрунтується на моделюванні людської мови з урахуванням її характерних особливостей. Замість безпосереднього вимірювання амплітуди вокодер перетворює вхідний сигнал в деякий інший, схожий на первинний. При цьому характеристики мовного сигналу використовую