Особенности, специальные исследования в области акустики и виброакустики

 

На рис. 5.2 показано типовое выделенное помещение с типовым набором элементов, образующих потенциальные каналы утечки акустической и вибрационной информации (дверные и оконные проемы, вентиляция, система отопления).

Стрелками показаны некоторые из потенциальных направлений возможной утечки речевой информации. В соответствии с этим необходимо проводить измерения собственно ограждающих конструкций (стен, перекрытий потолка и пола) по акустическому каналу и по вибрационному, если такой канал оценивается. Для акустического замера элементы измерительного комплекса размещаются, штатно - излучатель тест-сигнала (колонка) в 1,0 м от конструкции (по нормали к ней) на высоте 1,5 м от пола, первый микрофон в 0,5 м от ОК, второй за ней, также в 0,5 м от ОК. Когда есть уверенность, что в ОК нет «слабых» мест, достаточно одного, двух замеров вдоль стены. Если есть подозрения на трещины, проходы (отверстия) и т.д. необходимо увеличивать число контрольных точек. Максимально контрольные точки необходимо располагать через 1,5...2 м.

На рис. 5.3 - 5.4 изображены основные варианты размещения датчиков при измерениях основных ограждающих и инженерных конструкций.

Аналогично выполняются измерения по вибрационному каналу, в том числе и при оценке эффективности САЗ. В последнем случае надо иметь в виду, что необходимо контролировать отдельно каждый элемент ОК, например каждую отдельную плиту перекрытия пола (потолка) или

Рис. 5.3. Схема измерения стены (перегородки)

 

отдельные конструкции стен (например, отдельные бетонные плиты). Размещая акселерометр, обязательно обратить внимание на то, что при любых вибрационных измерениях он должен размещаться на поверхности основной несущей конструкции (бетоне, кирпиче и т.д.). Измерения, при размещении акселерометра на рыхлой штукатурке, побелке, обоях, линолеуме и т.д. дают недостоверные результаты и недопустимы.

 

 

Рис. 5.4. Схема измерения перекрытия пола (акустика и виброакустика)

 

Приведенная схема является основной, типичной. В регламентирующем документе указывается, что допускается размещать источник тест-сигнала иным образом - в точке локализации звука (проще говоря - за столом владельца кабинета, на месте кафедры докладчика и т.д.). В принципе это не меняет приведенную схему в части размещения датчиков. Какое размещение колонки избрать - дело оператора. В любом случае этот выбор должен быть обоснован и изложен в соответствующем разделе протокола.

Некоторые особенности есть при измерениях перекрытий пола и потолка. Излучатель размещается штатно, над полом ВП, а микрофоны № 1 и № 2 по обе стороны измеряемой ОК, как показано на схеме. Во время измерений перекрытия потолка микрофон № 1 размещается под потолком, на расстоянии 0,5 м от него, и развернут вертикально вниз. Микрофон № 2 - над полом в вышерасположенном помещении, также на высоте 0,5 м, ориентирован по нормали к плоскости потолка и направлен вниз. Если в выделенном помещении имеется фальшпотолок, то в любом случае микрофон размещается в 0,5 м от потолка помещения (подвесного, подшивного или основного перекрытия). Следует отметить, что вибрационный канал утечки следует рассматривать (кроме окон) всегда «на границе КЗ», так как внутри КЗ технический перехват, как правило, исключен оргмерами, в обязательном порядке обеспечиваемыми заказчиком.

Схема расположения элементов измерительной системы (рис. 5.5) при измерениях защищенности дверей особых пояснений не требует, так как является всего лишь повторением схемы, приведенной на рис. 5.3. Необходимо только проследить, чтобы все двери (полотна дверей) были плотно закрыты. Аналогичная схема применяется и при измерении звукоизоляции оконных блоков (рис. 5.6).

Измерения защищенности по «вибрационному каналу (при помощи оптико-электронной (лазерной) аппаратуры дистанционного прослушивания речи)» на остеклении окон имеют следующие особенности.

Как правило, часть фрамуг окон оказывается заметно выше осевой линии излучателя, которая должна быть расположена на высоте 1,5 м от пола. Если провести контрольные измерения уровня звукового давления падающей волны «внизу» и «наверху» на одинаковом штатном удалении от плоскости стекла 0,5 м, то, за редким исключением, «наверху» значения окажутся на 3...8 дБ меньше, чем «внизу». При расчете соотношений сигнал/шум (или значений «W») вблизи критических (нормативных) значений это очень большая разница.

 

Рис. 5.5. Схема измерения двойного дверного проема

 

Поэтому, если при «нижнем, штатном» размещении микрофона расчеты показали величины, близкие к нормированным, необходимо повторить измерения, разместив микрофон № 1 (по высоте) напротив центров соответствующих фрамуг. Естественно, эта ситуация и действия оператора должны быть отражены в протоколе.

Измерения в системе вентиляции (рис. 5.7) должны производиться следующим образом. Излучатель размещается вблизи входного окна вентиляции на высоте 1,5 м от пола, строго выдерживать расстояние в 1 м, например, от стены нет необходимости. Микрофон № 1 размещается в 0,5 м по нормали от плоскости вентиляционного окна (решетки) и ориентируется по нормали к решетке. Второй микрофон размещается в плоскости ближайшего (по ходу короба вентиляции) вентиляционного окна, а не в 0,5 м от него. Данная рекомендация основывается на том, что если говорить о непреднамеренном прослушивании именно в этом случае, то постороннее ухо с той же вероятностью может оказаться в плоскости решетки, как и в 0,5 м от нее. В этом случае мы имеем дело не с плоской, а сферической звуковой волной и спадание уровня звукового давления с удалением происходит пропорционально третьей степени расстояния.

Рис. 5.6. Схема измерения на окне

 

Соответственно оценка защищенности в плоскости решетки и в 0,5 м от нее будет отличаться многократно.

Уровень тест-сигнала (громкость звучания измерительной колонки) устанавливается в зависимости от решаемой задачи. Общая рекомендация заключается в том, чтобы уровень измеряемого сигнала «на» или «за» исследуемой конструкцией не менее чем на 10 дБ превышал уровни фоновых шумов.

Однако и при невыполнении этого требования (при соотношении сигнала и шума менее 10 дБ) нормально составленная программа расчета (например, встроенная в ПО «Шепот-Интерфейс») учитывает влияние шумов и вносит соответствующие поправки. Однако точность и повторяемость результатов в этом случае снижается.

 

Рис. 5.7. Схема измерения в системе вентиляции

 

Обычно при измерениях на окнах, для одиночных стекол, достаточно звукового давления около 60...65 дБ, для стеклопакетов -70...80 дБ. При оценке дверных проемов общего типа, даже двойных (выполненных без применения специальных мер акустической защиты), достаточно уровня 70...75 дБ. Для дверей с усиленной защитой - до 90 дБ. Для капитальных перегородок (стен) уровень тест-сигнала приходится поднимать до допустимого максимума. При этом допустимо повышать или понижать уровень тест-сигнала в какой-то отдельно взятой полосе, т.е. формировать неплоскую амплитудно-частотную характеристику (это возможно только при использовании соответствующего источника тест-сигнала, например «Шорох-2МИ»).

Отдельно следует рассмотреть вопрос об оценке уровней фоновых шумов. Говорить об этом имеет смысл только в привязке к конкретному средству измерения.

В подавляющем большинстве случаев уровень фоновых шумов для акустики составляет не менее 30 дБ, а для виброакустики – не менее 15...25 дБ, что должно учитываться при выборе измерительной техники. В очень небольшом числе случаев, например, при измерениях в ночное время на капитальных строительных конструкциях (особенно в загородной зоне) по вибрационному каналу или в очень тщательно звукоизолированных помещениях по акустическому каналу, реальный уровень фоновых значений виброускорения или звукового давления снижается до значений 4...6 дБ. В этом случае необходимо применение других моделей акселерометров _; (микрофонов) с меньшим уровнем собственных шумов.

Измерения системы отопления (рис. 5.8), т.е. оценку защищенности по вибрационному каналу, на трубах (стояках) отопления рекомендуется производить следующим образом.

Акустический излучатель располагается в 1,0 м от плоскости батареи отопления на обычной высоте от пола. Микрофон № 1 располагается напротив центра батареи в 0,5 м от ее плоскости, направленной к излучателю. Акселерометр крепится на трубу (стояк) в 10...15 см от места выхода трубы из выделенного помещения(от стены, потолка, пола).

 

Рис. 5.8. Схема измерений на батарее отопления

 

Такое размещение применяется в том случае, когда границей контролируемой зоны для данного канала являются ограждающие конструкции помещения. Если же граница контролируемой зоны проходит в точке выхода основных трубопроводов из здания, то прямой замер защищенности, как правило, невозможен в связи со слишком значительным затуханием вибрационного тест-сигнала на пути от выделенного помещения до точки измерения акселерометром.

В этом случае надо размещать акселерометр ближе к выделенному помещению, там, где тест-сигнал имеет измеряемую величину, а результаты измерения показывают выполнение условий защищенности (соседнее помещение, через помещение, ближайший этаж в сторону границы контролируемой зоны и т.д.). На основании такого измерения делается вывод, что на границе контролируемой зоны затухание много больше, следовательно, условия защищенности выполняются. Второй метод состоит в измерении реального затухания в канале утечки. Это позволяет оценить степень защищенности при очень значительных затуханиях в канале. Рассмотрим этот метод подробнее.

Его физическая суть заключается в создании в канале утечки столь «большого» тест-сигнала, что его удается зафиксировать (измерить) над уровнем шумов на дальнем конце канала. Для создания такого высокого по величине сигнала его необходимо «вводить» в канал не путем «озвучивания», имеющего огромные потери при переходе из воздушной среды в твердое тело, а непосредственно, с помощью соответствующего вибропреобразователя. Для этой цели весьма подходит преобразователь TRN2000 (а также КВП-2, КВП-6, КВП-8), который при подключении к генератору тест-сигнала «Шорох-2МИ» легко позволяют создать в трубопроводе тест-сигнал с уровнем 120...130 дБ (относительно 1ּ10 ^{- 6} м/с²). Для сравнения укажем, что с помощью акустического излучателя с уровнем звукового давления около 100 дБ в том же трубопроводе не удается создать вибрационный сигнал (виброускорение) большее 75...80 дБ.

Созданный уровень тест-сигнала необходимо измерить во всех пяти октавных полосах в точке, отстоящей от возбуждающего преобразователя не далее, чем на 10... 15 см. Второй замер выполняется на границе контролируемой зоны (рис. 5.9). Разность между значениями тест-сигнала в этих двух точках и есть реальное затухание в канале. Обычно, в реальных условиях, во второй точке, тест-сигнал удается измерить над уровнем шумов при расстояниях (по погонной длине трубопроводов) не менее 50...100 м (в основ ном, в зависимости от уровня сторонних шумов во

 

Рис. 5.9. Схема измерения в вибрационном канале с учетом реального затухания

 

второй точке). Если тест-сигнал не выявляется, допустимо первую точку (точку ввода тест-сигнала) приблизить к границе контролируемой зоны до появления тест-сигнала. Если удается измерить реальное затухание не во всех пяти октавных полосах (например, в трех иди четырех), то можно рекомендовать «распространить» минимальное из полученных затуханий на те октавы, в которых его измерить не удалось. Обоснование такого решения ложится на оператора.

Далее производится измерение тест-сигнала в системе отопления (колонка в 1 м от батареи, микрофон в 0,5 м, акселерометр на границе ВП). Полученные в обоих измерениях результаты обрабатываются следующим образом:

Как правило, значения во второй точке (при измерении затухания) мало отличаются от уровня сторонних шумов (т.е. измеряется не «чистый» тест-сигнал, а его смесь со сторонними шумами). Поэтому во второй точке следует измерять раздельно уровни помех (при выключенном источнике тест-сигнала) и смесь тест-сигнала с шумами (источник включен). Далее реальное затухание в каждой октавной полосе вычисляется по формуле:

(5.1)

 

где в i-й октавной полосе ΔV_i - реальное затухание, дБ; V_1i - значение тест-сигнала в точке 1 (рядом с точкой его ввода, дБ); V_2i, _с+ш -значение тест-сигнала в точке 2 (на границе КЗ, дБ); V_2i, _ш - значение фонового шума в точке 2 (на границе КЗ, дБ);

При реальном замере будут получены приблизительно такие данные, приведенные в табл. 5.1.

Таблица. 5.1.

 

Fцент, Гц	V1i, дБ	V2i, с+ш, дБ	V2i, ш, дБ	ΔVi
	113.7	28.3	28.4	-
	112.9	24.2		94.87
		24.3		88.57
	112.1	27.1		86.60
	109.3	25.3		89.87

 

Как видно из приведенной таблицы, реальные затухания для данного примера весьма значительны. В октавной полосе с центральной частотой 250 Гц затухание не могло быть рассчитано, поскольку тест-сигнал не выявлен над уровнем шумов.

Таким образом вычисляются реальные затухания в октавных полосах. Далее, для упрощения расчетов, примем, что минимальное из полученных значений используется при расчете защищенности по всем октавам.

Замер ОС в батарее, т.е. ее «озвучивание», описанное выше, дает типовые значения, приведенные в табл. 5.2.

 

Таблица 5.2

Fцент, Гц	Lci, дБ	V (с+ш)i, дБ	ΔVшi, дБ
	97.6	76.2	28.4
	96.3	72.4
	98.4	73.62
	98.5	70.9
		67.7

 

F_цент - центральная частота октавной полосы; L_ci - уровень звукового давления, развиваемый излучателем («озвучка»); V _(с+ш)i -смесь сигнала и шума, возникающая в трубе при воздействии тест-сигнала; ΔV_шi - уровень сторонних шумов в трубе.

 

Для выполнения стандартного расчета защищенности необходимо иметь значения тест-сигнала во второй точке. Покажем, как можно рассчитать эти значения с учетом измеренного реального затухания. Рассуждения в этом случае таковы:

1. Предположим, что сторонние шумы на границе контролируемой зоны такие же, как в точке 1. На самом деле они всегда больше (при работающей системе отопления в этой точке вода в трубопроводе заметно шумит). При неработающей системе шумы в обеих точках, примерно, равны. Следовательно, такое предположение может лишь ужесточить условия защищенности и потому допустимо.

2. Рассчитаем, какими в каждой октавной полосе эти шумы станут, если к ним прибавиться тест-сигнал в точке 1, уменьшенный на величину реального минимального затухания. Вычислим значение тест сигнала в точке 2, вызванного акустическим воздействием в точке 1. Получаем:

 

(5.2)

 

Вычислим по приведенной формуле значения тест-сигнала в точке 2, предполагая, что реальное минимальное затухание по всем октавам не менее 86 дБ. Полученные значения приведены в табл. 5.3.

 

Таблица 5.3

Fцент, Гц	ΔV (с+ш)i, дБ	ΔVi, дБ, минимальное	Vшi, дБ	ΔV (с+ш)i, дБ, реальное
	76.2		28.4	28.4007
	72.4			23.0010
	73.62			23.0013
	70.9			22.0008
	67.7			24.0003

 

Как видно из результатов расчета, вычисленные значения тест-сигнала в точке 2 отличаются от шумов только в третьем-четвертом знаке после запятой. Измерить такие сигналы существующими средствами «напрямую» невозможно.

Подставив полученные значения в стандартный расчет параметров защищенности по НМД АРР и предполагая, что значения сигнала САЗ (V_mi, при отсутствии системы зашумления равны шумам, получим данные, приведенные в табл. 5.4.

Часть промежуточных данных расчета из-за недостатка места опущена.

Таким образом, мы видим, что в данном случае (как это обычно и бывает) требуемые соотношения сигнал/шум выполняются в каждой октавной полосе с огромным запасом (несмотря на все «ужесточающие» допущения при расчете), а значение «W» исчисляется в менее чем 3,2ּ10 ^{- 10}.

Метод реального затухания может быть применен и в акустических замерах. При этом просто нужно использовать мощный малогабаритный излучатель, который можно ввести, например, в воздуховод. Все остальное выполняется аналогично.

 

Таблица 5.4

Fцент, Гц	Lci, дБ	V (с+ш)i, дБ	Vшi, дБ	Vмi, дБ	Lкi, дБ	CLТ, дБ	Vci, дБ	VcrCVT, дБ	Ei, дБ	Выполнение нормы в полосе
	97.6	28.40056	28.4	28.4		31.6	-9.80	-41.40	-69.80	Да
	96.3	23.00095				30.3	-13.60	-43.90	-66.90	Да
	98.4	23.00126				37.4	-12.38	-49.78	-72.78	Да
	98.5	22.00085				42.5	-15.10	-57.60	-79.60	Да
		24.00026					18.30	-64.30	-88.30	да

Примечание: R- 2.5745E-09, W – 3.10652051E-10.

Рекомендации по размещению и оптимизации системы активной защиты

 

Применение системы активной защиты для обеспечения защищенности по акустическим и вибрационным каналам распространено весьма широко. Однако и этот способ, достаточно простой и дешевый, не свободен от недостатков.

Главный из них - увеличение уровня «паразитного» шума в выделенном помещении. Причем не только и не столько за счет именно акустического зашумления, сколько за счет акустических шумов защищенных вибропреобразователями стекол окон. К сожалению, стекла - это мембраны достаточно большой площади. И в силу этого при установке датчиков зашумления весьма заметно шумят. Заметно больше, чем стены, трубы и т.д. Именно поэтому оптимизация размещения датчиков на стеклах, тщательная настройка АЧХ источника шумового сигнала являются важнейшими задачами для специалиста в этой области.

Первое, что необходимо иметь в виду, это необходимость размещать датчики (вибропреобразователи) только на стеклах. Все известные нам попытки «зашумлять» рамы приводят к недопустимому уровню акустических шумов при выполнении норм защищенности. К таким же «последствиям» приводит размещение в межстекольном пространстве акустических колонок.

В среднем, на обычном одиночном стекле оптимально размещать на 1 м² стекла 2 датчика. При остеклении стеклопакетом - до 4 датчиков. Увеличивается и количество датчиков на узких, вытянутых фрамугах. Дать рекомендации на все случаи практически невозможно, многое решается «на месте», исходя из опыта, интуиции и, иногда, на основании пробных замеров.

Серьезная оптимизация, при которой производится индивидуальная настройка каждой фрамуги (иногда - каждого датчика), возможна только при использовании генераторов системы активной защиты, имеющих регуляторы АЧХ (таких, как «Шорох-2», «Шорох-1»). При большом числе отдельных фрамуг (свыше 10), особенно различной формы, настоятельно рекомендуется применение генератора «Шорох-1», имеющего 3 независимых канала, каждый из которых может быть настроен индивидуально.

Весьма непрост и вопрос выбора контрольных точек на плоскости стекла при проведении измерений и оценке эффективности системы активной защиты. Оценка в одной точке абсолютно недостаточна.

На рис. 5.10 показано рекомендованное распределение вибропреобразователей и минимально необходимое количество контрольных точек на стеклах различной формы.

 

 

 

 

Рис. 5.10. Рекомендуемое размещение контрольных точек на стеклах: о - вибропреобразователи САЗ; - контрольные точки

 

 

Эти рекомендации не исключают порою значительно большего числа контрольных точек, иногда отстоящих друг от друга не более чем на 5...6 см. Это бывает необходимым на сложных стеклопакетах в выделенных помещениях высокой категории.

В настоящее время руководящими документами не определено, какая из нескольких имеющихся поверхностей остекления наиболее опасна для вибрационного канала при применении лазерных средств дистанционного съема информации. В связи с этим, строго говоря, опасны все поверхности, а следовательно, должна оцениваться защищенность для каждой из них (рис. 5.11).

Рис. 5.11. Отражение лазерного луча от многослойного остекления

 

Каждый из отраженных лучей может быть раздельно «принят» и обработан соответствующими техническими средствами. Априори, можно утверждать, что отраженный луч уменьшается по энергии при отражении от более «далекой» поверхности, но одновременно он модулирован вибрационным сигналом большей амплитуды. Поэтому вопрос о том, какой из них более «опасен», требует специального изучения.

Наиболее сложный для обеспечения защиты вариант, когда датчики зашумления размещаются на самой внутренней поверхности внутреннего остекления, а оценку защищенности задано производить на самой наружной. В этом случае особенно сложно обеспечить приемлемый уровень побочных шумов.

В заключение следует упомянуть, что в регламентирующих документах полностью отсутствует информация о возможных углах «падения» лазерного луча на стекло, при которых возможна реализация этого канала утечки речевой информации. В практике рассматривается только случай нормального падения. Однако не существует физически корректного «запрета» на иные углы. Более того, при угле падения около 57° на границе воздуха и обычного стекла луч претерпевает полное отражение, т.е. отраженная энергия максимальна. Правда, при этом он полностью отражается от первой же поверхности (самой внешней). Обоснованные рекомендации в этой области еще в будущем.