Маскування звукових сигналів

Маскування звукових сигналів є радикальним засобом нейтралізації акустичних каналів витоку мовної інформації. Для ефективного застосування технічних засобів захисту мовної інформації потрібне детальне вивчення особливостей методів маскування інформаційних звукових сигналів, що проникають за межі контрольованої зони з приміщень, в яких циркулює мовна інформація, що захищається.

При одночасному впливі на слух двох сигналів один з них може бути видимий на тлі іншого. У тиші добре чутні слабі звуки, а в шумі можуть бути невиразні навіть гучні звуки, тобто при шумі поріг чутливості для слабких звуків збільшується. Підвищення порога чутливості називають маскуванням. Величина маскування визначається формулою

M = L_ПСШ - L_ПСТ (1.24)

де L_ПСШ і L_ПСТ - рівні порогів чутності в шумах і в тиші.

Порогом чутності називають найменше значення дратівної сили (звукового тиску) чистого тону, яке викликає відчуття звуку. Поріг чутності визначається значенням частоти: при 1000 Гц він дорівнює приблизно 10^-12 Вт/м². Цей поріг характеризує чутливість слуху до інтенсивності звукової енергії.

Абсолютний поріг чутливості є порогом, виміряним в повній тиші для гармонійного сигналу. Він визначений як середньостатистична величина для людей у віці 18-20 років при дії сигналу тривалістю не менше 250 мс. Крива рівня абсолютного порога чутності показана на рис. 1.32. Нульовому рівню відповідає звуковий тиск 2 ⋅ 10^-5 Па. Пороги чутності різні для лівого і правого вуха і залежать від віку. На частоті 10 кГц чутливість вуха 60-річної людини на 20 дБ нижче, ніж у 20-річного.

При тиску 60...80 Па людина відчуває тиск на вуха. Ця величина тиску називається порогом дотику.

Тиск понад 150... 200 Па викликає больові відчуття в органах слуху і називається больовим порогом (рис. 1.14)

Слухова система людини адаптована до звуків малої та середньої сили з рівнем тиску не вище 94... 96 дБ. Звуки з рівнем тиску більше 75 дБ при тривалій дії можуть привести до повної глухоти.

У напрямку низьких частот зі значення 500 Гц поріг чутності різко зростає і для слухового відчуття потрібно більш високий звуковий тиск (рис. 1.15). На частоті 100 Гц поріг чутливості по звуковому тиску в 10⁴ раз більше, ніж на частоті 1000 Гц. У напрямку більш високих частот поріг чутності спочатку знижується (в 8-10 разів на частотах 2-4 кГц), а потім починає підвищуватися так само, як і в низькочастотному діапазоні.

 

Рис. 1.14. Криві абсолютного і больового порогів чутності

Рівень звукового тиску характеризує об'єктивно тільки фізичні процеси, але з вище розглянутого випливає, що звуки однакової інтенсивності в різних частотних діапазонах можуть бути чутними і нечутними. Для оцінки сприйняття звуку служить характеристика, названа рівнем слухового відчуття:

(1.25)

 

де L_пс - рівень інтенсивності звуку на порозі чутності.

З отриманого вираження слідує, що рівень відчуття представляє собою ту частину рівня інтенсивності звуку, яка знаходиться над рівнем порогу чутності на тій же частоті. При зміні порога слуху змінюється і рівень чутливості Е.

 

При інтенсивності звуку I в умовах прийому в шумах рівень чутливості звуку Е_ш з урахуванням (1.24) визнається як:

 

 

Рис. 1.15. Поріг чутності по тиску близько вушної раковини

(1.26)

 

де I_ПСШ - інтенсивність на порозі чутності при наявності перешкод і шумів; Е_т - рівень відчуття того ж звуку в тиші.

Вираз (1.76) показує, що зі зростанням рівня шуму знижується рівень відчуття. Чітке відчуття сприйманого звуку має місце при перевищенні рівнем прийнятого звуку рівня складаючих перешкоди в одній і тій же смузі слуху.

Низькочастотні тони сильніше маскують високочастотні в силу особливостей пристрою слухового апарату людини. Якщо шум широкосмуговий, то навіть при великому перевищенні його загального рівня над рівнем ньому сприйманого тону останній може бути почутий, оскільки рівень шуму в критичній смузі цього тону може бути досить малим.

Для низьких рівнів ширина смуги частот маскування відносно мала, для високих рівнів ширина смуги лежить в широкій області частот, що лежать вище частоти маскуючого тони. При цьому має місце підвищення маскування на частотах, кратних частоті маскуючого тони. Експериментально встановлено, що при дії чистого тону з рівнем інтенсивності 100 дБ людина чує другу гармоніку з рівнем ньому інтенсивності 88 дБ, третю - з рівнем 74 дБ і т.д., хоча вищі гармоніки в чистому тоні відсутні. Наявність вищих гармонік в слуховому відчутті можна перевірити експериментально наступним чином: до вуха додатково підводиться джерело звуку іншого чистого тону з частотою, що плавно перебудовується. На кожній кратній основному тону частоті людиною прослуховуються биття, ніби в звуці, що підводиться були вищі гармоніки. Ці гармонійні складові називаються суб'єктивними. Саме вони забезпечують маскування звуку на кратних маскуючого тону частотах.

Причина прослуховування вищих гармонік чистого тону, очевидно, полягає в нелінійних властивостях слухового тракту людини, що спотворює вхідний звуковий сигнал.

При впливі на органи слуху двох тонів різних частот, що не падають в одну смугу слуху, людина може прослуховувати тон різниці частот з достатньою гучністю і тон сумарної частоти, а також і інших комбінаційних частот F = mF₁ ± nF₂ з меншими рівнями.

При дії на слух складних звуків зі складовими на кратних частотах людина відчуває такий же звук по частотному складу, але зі зміненим співвідношенням амплітуд складових частотного спектру в результаті збігу комбінаційних частот з вихідними частотами.

Маскування чистим тоном. Нагадаємо, що маскування згідно (1.24) визначається в децибелах як різниця рівнів порогів чутності в шумах і в тиші (абсолютний поріг чутності). Для випадку маскування чистим тоном рівень порога чутності L_пс звукового сигналу з частотою F_c визначається за відповідними графіками (рис. 1.16) при дії заважаючого чистого тону з частотою F_м для різних рівнів L_м інтенсивності маскуючого тону.

Особливості маскування чистим тоном полягають в наступному:

• максимальний ефект маскування має місце, якщо частоти F_c і F_м близькі за значенням; чим більше рознос частот, тим менша маскуюча дія;

• ефект маскування тим вище, чим вище рівень інтенсивності маскуючого тони;

• криві маскування мають більш пологий спад в бік високих частот, тому більш високі частоти краще маскуються чистим тоном, чим більш низькі.

На частотах F_c , кратних частоті маскуючого тону F_м, виникають биття (провали у графіках), причина появи яких була пояснена раніше.

Рис. 1.16. Криві порогу чутності тону з частотою F_c при маскуванні тоном F_м з частотою 1000 Гц для різних рівнів інтенсивності маскуючого тону

Маскування вузькосмуговим шумом. Загалом криві порога чутливості мають такий же характер, як і в попередньому випадку, тільки відсутні биття праворуч і трохи ширше діапазон частот, що маскуються.

Сигнали, спектр яких лежить на октаву нижче середньої частоти 1 кГц маскуючого шуму, практично не маскуються.

Маскування широкосмуговим білим шумом. Маскування білим шумом найбільш поширена при захисті мовної інформації.

Криві порогу чутності тону з частотою F_c при маскуванні білим шумом показані на рис. 1.17.

 

 

Рис. 1.17. Криві порогу чутності тону з частотою F_c при маскуванні білим шумом

Характерні особливості кривих полягають в наступному:

• до частоти 500 Гц криві розташовуються горизонтально;

• зі збільшенням частоти понад 500 Гц поріг маскування лінійно підвищується на 3 дБ / октаву.

Так як слух реагує не на загальну енергію сигналу, а на енергію в критичних смугах слуху, які до 500 Гц по ширині приблизно однаково, то маскування в цьому звуковому діапазоні однакове, тобто поріг чутності від частоти не залежить. Далі зі зростанням частоти їх критичні смуги лінійно ростуть, їх ширина пропорційна середній частоті. У цьому діапазоні при збільшенні частоти в 10 разів поріг чутності зростає на 10 дБ.

Маскування рівномірно маскуючим шумом. Шум, що забезпечує однакове маскування у всьому частотному звуковому діапазоні, називається рівномірно маскуючим. Криві маскування показані на рис. 1.18.

До частоти 500 Гц рівномірно маскуючий шум повинен мати спектральну щільність потужності таку ж, як у білого шуму. В області більш високих частот спектральна щільність потужності повинна зменшуватися пропорційно частоті як у рожевого шуму.

 

Рис. 1.18. Криві порогу чутності тону з частотою F_c при рівномірно маскуючому шумі