Краткие сведения из теории. Физические характеристики акустических сигналов

2. Краткие сведения из теории

2.1 Физические характеристики акустических сигналов

Получение информации человеком о состоянии окружающего мира происходит посредством органов чувств. Одним из органов чувств человека является орган слуха. Орган слуха человека предназначен для получения информации о параметрах акустических сигналов. Синонимом понятия акустических сигналов является понятие акустического или звукового поля. Акустическим или звуковым полем называют область пространства, в котором происходит распространение акустических или звуковых колебаний. Акустические колебания могут существовать только в газовой или жидкой среде. Акустические колебания или акустические сигналы — это механические упругие колебания в пространстве молекул газовой или жидкой среды. Под упругими волнами понимается характер изменения среды, при которых материал среды возвращается в исходную форму после деформации, возникающей при воздействии на нее механического усилия. Как и любая волна, акустические сигналы характеризуются амплитудой и частотой. В зависимости от значения частоты, акустические сигналы подразделяются на:

- инфразвуковые – от 0,001 Гц до 16 Гц;

- звуковые (воспринимаемые органами слуха человека) – от 16 Гц до 20 кГц;

- ультразвуковые – от 20 кГц до 1 ГГц;

- гиперзвуковые – свыше 1 ГГц.

В области защиты информации наибольшее внимание уделяется диапазону звуковых волн, так как именно этот диапазон воспринимается органами чувств человека (органами слуха). Гиперзвуковые сигналы представляют в основном теоретический интерес, так как имеют невероятно высокий коэффициент затухания. В ряде случаев мероприятия по защите информации используют ультразвуковые волны. Ультразвуковые и инфразвуковые сигналы на осознанном уровне человеком не воспринимаются. Но человек ощущает их воздействие. Например, мощные инфразвуковые колебания могут нанести вред здоровью. На определенных частотах возникает резонанс органов человеческого тела, что приводит к ухудшению самочувствия. Примером резонансных инфразвуковых частот являются: 19 Гц (резонанс глаз), 4−6 Гц (резонанс сердца). По типу волнового процесса в газообразной и жидкой среде акустические волны имеют продольный характер, как показано на рис. 2.1.

Рис. 2.1. Вид волновых процессов акустических сигналов.

Как видно из данного рисунка в процессе распространения акустических сигналов возникают области с повышенной и пониженной плотностью. Распространение акустических сигналов от источника происходит с определенной, конечной скоростью, называемой скоростью звука. Скорость звука в воздухе при 20ºС и нормальном атмосферном давлении примерно равна 340 м/с. Волнообразное изменение плотности среды, вызываемое акустическими колебаниями, называют звуковой волной. Направление распространения звуковой волны имеет устоявшееся название – звуковой луч. Поверхность, соединяющая смежные точки пространства с одинаковой фазой колебаний называется фронтом волны. Звуковые лучи пересекают фронт волны под прямым углом. В общем случае, фронт волны имеет сложную форму. Но для упрощения анализа используются три идеализированных представлений о фронте волны: плоский фронт, сферический фронт, цилиндрический фронт. Как известно, для периодических процессов период колебаний и их частота связаны соотношением: . Длина звуковой волны определяется по формуле: , где – скорость звука.

Для описания акустических сигналов всех диапазонов используют следующие параметры:

- звуковое давление – , Па (паскаль);

- скорость колебания частиц – , м/с;

- интенсивность звука – , Вт/м²;

- звуковая мощность – , Вт;

- колебательное ускорение частиц – , м/с²;

- скорость звука – , м/с;

- длина звуковой волны – , м;

- линейная частота колебаний – , Гц;

- период колебаний – , с;

- плотность звуковой энергии – , Дж/м³;

- время реверберации – , с;

- удельное акустическое сопротивление – , Па*с/м;

- акустическое сопротивление – , Па*с/м;

- механическое сопротивление – , Н*с/м.

Звуковое давление – это знакопеременная величина, являющаяся разностью между мгновенным давлением в точке пространства и статическим давлением в этой же точке. Статическое давление – это постоянное или медленно меняющееся давление в точке пространства при отсутствии акустических колебаний, определяемое плотностью газовой среды. Как известно из физики, давление – это сила, действующая на единицу площади поверхности, перпендикулярно этой поверхности: .

Скорость колебания частиц. Если в некотором объеме газа давление в смежных областях разное, то частицы газа стремятся сместиться в область с более низким давлением. Так как при наличии акустических колебаний давление имеет знакопеременную составляющую, то частицы газа будут совершать колебательные движения около своего среднего положения в пространстве. При этом скорость колебания частиц: , где – величина смещения частицы от среднего положения. Скорость колебания частиц не является синонимом скорости звука. Скорость звука – постоянная величина для данной среды и метеорологических условий, а скорость колебаний – знакопеременная величина.

Скорость колебаний частиц и звуковое давление связаны между собой. Возьмем элементарный объем, заключенный между фронтами волн на расстоянии , как показано на рис. 2.2 [2].

Рис. 2.2. Связь между скоростью колебания частиц и звуковым давлением.

Газовая среда в данном объеме находится под воздействием разности давлений и . Согласно определению давления как силы действующей на единичный объем находим изменение силы воздействия: . Как известно, любое действие порождает противодействие. Сила инерции данного объема газовой среды определяется как: , где – масса газовой среды в рассматриваемом объеме, – плотность газовой среды. Согласно третьему закону Ньютона, эти силы должны быть равны между собой. Исходя из этого, получаем зависимость звукового давления от скорости колебаний среды: . Как видно из данной формулы звуковое давление пропорционально ускорению частиц, из которых состоит газовая смесь.

Акустическое сопротивление определяет, насколько уменьшиться энергия акустического сигнала при распространении в газовой или жидкой среде. Для возможности определения акустического сопротивления в различных условиях распространения акустических колебаний вводят понятие удельного акустического сопротивления. Удельное акустическое сопротивление представляет собой отношение звукового давления к скорости колебаний частиц: . Как правило, акустическое сопротивление оказывает заметное влияние на энергию звуковых колебаний на больших расстояниях – сотни и более метров. Применительно к задачам обеспечения информационной безопасности необходимо учитывать изменение энергии звуковых колебаний за счет определенной формы фронта звуковой волны. Чтобы оценить влияние формы фронта звуковой волны необходимо определить параметр, описывающий энергетические характеристики акустического сигнала. Таким параметром является интенсивность звука.

Интенсивность звука – это энергия переносимая звуковой волной за одну секунду через поверхность в один квадратный метр, перпендикулярную направлению распространения звуковой волны. Единица измерения – Вт/м². Наименьшая интенсивность, при которой возникают слуховые ощущения, называют порогом слышимости. Орган слуха человека обладает наибольшей чувствительностью в диапазоне частот 1 – 3 кГц (у большинства людей ближе к 1 кГц). На этой частоте значение интенсивности, соответствующую порогу слышимости, принимают равной Вт/м². Интенсивность равную 10 Вт/м² называют болевым порогом. Интенсивность звука пропорциональна квадрату звукового давления и вычисляется по формуле: , где:

- – звуковое давление, Па;

- – плотность среды кг/м3 (1,225 для воздуха);

- – скорость распространения звука м/с (331 в среднем для воздуха).

Порогу слышимости соответствует звуковое давление – 2*10^-5 Па.

Болевому порогу соответствует звуковое давление – 63,5 Па.

Как было сказано выше, энергия, попадающая на приемник, зависит от акустического сопротивления среды и формы фронта акустической волны. Для упрощения анализа распространения акустических сигналов, все возможные формы фронтов волны сводят к трем моделям: плоский фронт, сферический фронт, цилиндрический фронт. Примеры форм разных моделей фронтов приведены на рис. 2.3.

Рис. 2.3. Формы фронтов акустической волны.

Как видно из данного рисунка фронт плоской волны представляет собой плоскость. Звуковые лучи в данном случае параллельный друг другу. На разных расстояниях от источника величина интенсивности акустических сигналов будет неизменной. В случае сферического фронта его форма представляет собой набор сфер с общей центральной точкой. При этом, звуковые лучи не являются параллельными. В процессе распространения звуковой волны, площадь фронта увеличивается. Так как исходное значение энергии акустического сигнала неизменно, происходит уменьшение ее количества на единицу площади сферы. Вследствие этого происходит уменьшение интенсивности. Если фронт акустической волны имеет цилиндрический характер, то его форма представляет собой набор цилиндрических поверхностей имеющих общую ось и неизменную высоту. Плоский фронт волны не может быть сформирован сразу. Он возникает из сферического или цилиндрического фронта по мере распространения акустического сигнала. Необходимо оценить, условия, при которых фронт можно считать плоским. На рис. 2.4 показан участок фронта в общем случае сферической волны. Фронт волны считается плоским, если .

Рис.2.4. Процесс преобразования формы фронта акустической волны.

Но строго математически, это произойдет при длине звукового луча R равной бесконечности. В тоже время существует понятие — точность инженерного расчета. Как правило, она составляет 7 … 10%. Это значит, что, если полученный результат отличается от заданного значения на указанную величину, задача считается решенной. Применительно к нашему случаю, необходимо, чтобы значение фазы синусоидального сигнала в точке B отличалось от значения фазы в точках A и C не более чем на 10% от максимального значения фазы синусоидального сигнала. Как известно периоду синусоидального сигнала соответствует фаза равная 360º или . Значение также зависит от длины волны акустического сигнала. Величине длины волны также соответствует фаза равная 360º или . Исходя из этого, получается, что где – скорость звука, а – частота акустического сигнала.

В общем случае необходимо, чтобы данное условие выполнялось для всех возможных частот акустических сигналов. Это расстояние будет максимальным для минимального значения частоты акустических сигналов, воспринимаемых человеком — 16Гц. Для данной частоты и среднего значения скорости звука . Для определения расстояния R, на котором будет выполняться данное условие можно воспользоваться известными тригонометрическими соотношениями. Величину отрезка AB можно определить двумя способами: и . Приравняв эти соотношения, друг к другу получим: . Не вдаваясь в аналитические вычисления, можно приблизительно оценить, что необходимое условие выполняется при расстоянии R=100 метров и угле α=11,85º. Как правило, на таких расстояниях акустический сигнал затухает настолько, что перехват информации становить невозможным. Таким образом, можно сделать вывод, что при решении задач, связанных с обеспечением защиты информации, заключенной в акустических сигналах, приходится сталкиваться с формой волнового фронта сферической или цилиндрической. Для определения возможности существования каналу утечки информации применительно к акустическим сигналам, необходимо определить по каким зависимостям будет уменьшаться интенсивность акустических сигналов в случае сферического волнового фронта и цилиндрического волнового фронта. В обоих случаях, уменьшение интенсивности будет происходить пропорционально увеличению площади волнового фронта. Рассмотрим пример сферического волнового фронта, показанного на рис. 2.5.

Рис. 2.5. Сферический волновой фронт.

Как известно площадь сферы определяется формулой . Так как считается, что затухание сигнала за счет акустического сопротивления среды можно не учитывать справедливо выражение: . Получается, зная интенсивность сигнала на известном расстоянии и разницу расстояний между источником и приемником акустических сигналов можно определить интенсивность акустических сигналов в месте расположения приемника. В области акустических измерений (да и в случае измерения параметров сигналов другой физической природы) принято, что задается интенсивность акустического сигнала на расстоянии 1 метра от источника. Исходя из этого, можно определить, что интенсивность акустических сигналов при расположении приемника на расстоянии L от источника в случае сферической формы фронта волны определяется по формуле: . Для цилиндра, его площадь определяется по формуле: , где — высота цилиндра. Используя рассуждения аналогичные случаю сферического фронта получаем, что интенсивность акустических сигналов при расположении приемника на расстоянии L от источника в случае цилиндрической формы фронта волны определяется по формуле: .

2.2. Особенности распространения акустических сигналов

Описанные выше закономерности изменения интенсивности акустических сигналов могут быть единственно возможными только в случае распространения акустических сигналов в свободном пространстве. В тоже время при решении задач информационной безопасности приходится сталкиваться с ситуацией, когда в области распространения акустических сигналов присутствуют материальные объекты (строительные конструкции, предметы мебели, люди и т. п.). В результате, акустические сигналы претерпевают дополнительные изменения. В результате распространения акустических сигналов в пространстве с наличием материальных объектов они могут испытывать:

- отражение;

-поглощение;

- преломление;

- дифракцию;

- интерференцию;

- преобразование.

Акустический сигнал будет испытывать отражение, если на пути распространения окажется препятствие или среда с другими параметрами. Для процесса отражения справедлива зависимость — угол падения, равен углу отражения. Эффективность отражения характеризуется коэффициентом отражения. Для акустических сигналов, коэффициентом отражения называют отношение интенсивности отраженной звуковой волны к интенсивности падающей звуковой волны: . Эффективность отражения также зависит от степени различия акустических сопротивлений сред. Зависимость давления отраженной акустической волны от давления падающей звуковой волны определяется соотношением [1]: , где — удельное акустическое сопротивление среды в которой распространяется звуковая волна, — удельное акустическое сопротивление среды от которой отражается звуковая волна, — модуль коэффициента отражения по давлению, — разность фаз у падающей и отраженной звуковых волн. Коэффициент отражения по интенсивности определяется по формуле: . В Таблице 1 и Таблице 2 приведены данные об удельном акустическом сопротивление некоторых материалов. Из данных таблиц видно, что отражение акустических сигналов может происходить, в том числе и от среды с одинаковым химическим составом, но отличающейся температурой и плотностью.

Таблица 1. Удельное акустическое сопротивление газов и жидкостей [1].

Среда	Температура Сº	Плотность кг/м³	Скорость звука м/с	Удельное акустическое сопротивление кг/(м²с)
Водяной пар		0,58
Воздух		1,29
Воздух		1,2
Гелий		0,18
Вода пресная
Вода соленая 3.5%

Таблица 2. Удельное акустическое сопротивление твердых тел и материалов [1].

Материал	Плотность кг/м³	Скорость звука м/с		Удельное акустическое сопротивление кг/(м²с)
Материал	Плотность кг/м³	В неограниченной среде	Продольная в стержне	В неограниченной среде	Для продольных колебаний в стержне
Железо				45,6	40,4
Дуб				2,92	1,06
Сосна				2,77	0,8
Лед					2,93
Пробка					0,12
Натуральный каучук					0,03
Мрамор					9,9
Гранит					10,7
Плексиглас					3,3
Стекло				18,5	17,3

Поглощение звука — уменьшение интенсивности распространяющейся звуковой волны с расстоянием, обусловленное внутренним трением и теплопроводностью. В результате происходит необратимый переход части звуковой энергии в тепловую энергию. Эффективность поглощения характеризуется коэффициентом поглощения. Для акустических сигналов, коэффициентом поглощения называют отношение интенсивности звуковой волны, поглощенной материалом к интенсивности падающей звуковой волны: . Коэффициент поглощения связан с коэффициентом отражения следующей зависимостью: . Поглощение звука зависит от свойств среды, в которой распространяется звук, и от его частоты. Коэффициент поглощения в газовой среде обратно пропорционален квадрату длины волны или прямо пропорционален квадрату частоты звука. Таким образом, высокочастотные звуки быстрее поглощаются в атмосфере, чем низкочастотные. Эффективность поглощения акустических сигналов в материалах зависит от их твердости. В Таблице 3 приведены коэффициенты поглощения для некоторых материала.

Таблица 3. Коэффициенты поглощения некоторых материалов [1].

Материал	Коэффициент поглощения
Мрамор	0,01
Кирпичная стена	0,03
Пробка толщиной 2,5 см	0,16
Войлок волосяной толщиной 2,5 см	0,55
Стекло	0,03

Преломление — это эффект перехода акустического сигнала в другую среду, после его попадания на границу раздела сред. При этом угол под которым акустический сигнал будет распространяться в другой среде будет отличаться от угла, с которым он падает на границу раздела (рис. 2.6).

Рис. 2.6. Иллюстрация преломления волн [1].

Угол, с которым акустические сигналы будут распространяться в другой среде, называется углом преломления. Соотношение угла падения и угла преломления определяется соотношением скоростей распространения акустических сигналов в средах: , где и — скорости звука в разных средах. Эффект преломления может наблюдаться на границы раздела газовых сред или газовых сред и жидкостей.

Дифракция — это способность акустической волны огибать препятствия. Дифракция может проявляться только в тех случаях, когда размеры препятствия много меньше длины волны. Именно явление дифракции обеспечивает возможность приема акустических сигналов через отверстия в преграде. К сожалению, в литературе не приводится данных, позволяющих оценить вероятность утечки акустической информации из помещения в зависимости от диаметра отверстия и его конфигурации. Единственно, что удалось обнаружить, это график, отображающий на качественном уровне величину звукоизоляции пластины с отверстиями разной конфигурации [3]. При проведении опыта использовались дюралевые пластины с размерами 1000х1100 мм и толщиной 3 мм. Отверстия в них имели следующие варианты конфигурации:

- единичное отверстие с диаметром 36мм в центре платины;

- 16 одинаковых отверстий, с одинаковым диаметром 9мм, расположенных равномерно по поверхности пластины;

- щель, шириной 1 мм и длиной 1000 мм, расположенная по центру пластины.

При этом, площадь отверстий была одинаковой. Зависимость затухания от конфигурации отверстий и частоты показана на Рис. 2.7. Из данного рисунка видно, что при равных условиях, меньшее значение затухания, и как следствие большая вероятность утечки информации в виде акустических колебаний свойственна отверстию в виде щели.

Рис. 2.7. Зависимость затухания от конфигурации отверстий и частоты.

Интерференция - неравномерность пространственного распределения амплитуды результирующей акустической волны в зависимости от соотношения между фазами волн, складывающихся в той или иной точке пространства. Акустическим волнам, как и любым другим волновым процессам, присуще явление интерференции, т.е. усиление колебаний в одних точках пространства и ослабление колебаний в других точках в результате наложения двух или нескольких звуковых волн, приходящих в эти точки пространства. Явление интерференции во времени базируется на известном принципе суперпозиции волн, смысл которого сводится к следующему: если в среде одновременно распространяется система n различных волн, то каждая из волн распространяется независимо от других. При этом результирующие скорость, смещение, ускорение каждой частицы среды равны векторным суммам соответствующих величин, обусловленных каждой из волн порознь. Наиболее ярко явление интерференции проявляется при движении акустических волн в пространстве в разных направлениях. Применительно к области обеспечения информационной безопасности такая ситуация может сложиться в результате отражения акустических волн от материальных объектов. В результате этого, в помещении возникает так называемая стоячая волна. На Рис. 2.8 показана зависимость амплитуды и скорости распространения результирующего акустического сигнала для разных соотношений амплитуд суммирующихся сигналов. В результате возникновения стоячей волны, в одних точках пространства интенсивность звуковых сигналов будет больше, чем у исходного акустического сигнала, а в других меньше. Такие участки стоячей волны имеют устоявшиеся названия: пучность и узел, соответственно. Пучность — участок стоячей волны, в котором колебания имеют наибольшую амплитуду. Противоположностью пучности является узел — участок волны, в котором амплитуда колебаний минимальна.

Под преобразованием акустических сигналов понимается изменение характера волнового процесса. Выше приводились справочные данные отражающие особенности распространения акустических материалов в твердых средах. Такие сигналы носят название виброакустических сигналов или структурных волн. Их особенностью является то, что характер волнового процесса может отличаться от продольного, свойственного чисто акустическим сигналам.

Рис. 2.8. Распределение амплитуд звукового давления и скорости колебаний при интерференции [1].

Структурные волны порождаются акустическими сигналами в твердых материалах. Под воздействием акустических сигналов происходит деформация твердых материалов. В реальных условиях деформации материальных объектов имеют сложный характер. При этом, можно выделить 4 типовых вида деформации и сводить все существующие деформации к их комбинации. Основными типами деформации являются: растяжение/сжатие, изгиб, сдвиг, кручение. Характер изменения материальных объектов при таких деформациях показан на рис. 2.9. Кроме приведенных на рисунке типов деформации, под воздействием акустических сигналов могут возникать еще два специфических типов деформаций: волны Релея и волны Лемба.

Рис. 2.9. Основные типы деформаций.

Характер деформации материальных объектов в случае возникновения упомянутых волн показан на рис. 2.10.

Рис. 2.10. Вид деформации при возникновении волн Релея и волн Лэмба.

Волны Рэлея распространяются вблизи поверхности твердого тела. Фазовая скорость таких волн направлена параллельно поверхности. Частицы среды в такой волне совершают эллиптическое движение в плоскости, перпендикулярной, направлению распространения энергии. Амплитуды колебаний затухают при удалении от поверхности по экспоненциальным законам и энергия волны сосредоточена в области на расстоянии порядка длины волны от поверхности. Волна Лэмба или нормальная волна — это сложная упругая волна, распространяющаяся в упругой среде образованная комбинаций стоячих и бегущих волн. Следует дать определение стоячей и бегущей волны. Стоячая волна— явление интерференции волн, распространяющихся в противоположных направлениях, при котором перенос энергии ослаблен или отсутствует. Бегущая волна— волновое явление, при котором поверхность равных фаз колебаний перемещается с конечной скоростью (постоянной для однородной среды). В отличие от стоячих, бегущие волны при распространении в среде переносят энергию. Нормальные волны распространяются только в пластинах с толщиной, сопоставимой с длиной волны. В этом случае в пластине возникают сложные резонансные явления, ведущие к образованию стоячих волн. Характерной особенностью нормальной волны является дисперсия — зависимость скорости распространения от длины волны. Скорость движения волны зависит также от толщины пластины.

Отдельного рассмотрения заслуживает ситуация распространения акустических сигналов в протяженных замкнутых объемах. В литературе такая ситуация еще называется распространение акустических сигналов в трубах. Из практики известно, что если объем помещения связан через отверстие с трубой, то расстояние, на котором возможен перехват информации, переносимой акустическими сигналами, будет больше, чем в случае свободного пространства. Это связано с двумя факторами. Во-первых, при попадании акустического сигнала в трубу, его фронт становится плоским, так как стенки трубы препятствуют его распространению в боковых направлениях. Выше было показано, что затухание акустических сигналов, обладающих плоским фронтом обусловлено только акустическим сопротивлением среды, которое незначительно. Во-вторых, в трубах возникает эффект интерференции, даже если второй торец трубы является открытым. Так как, масса газа среды у второго торца трубы больше, чем масса газовой среды, перемещающейся в трубе, при распространении акустических сигналов будет происходить отражение. Таким образом, в трубе возникает звуковая волна, движущаяся в противоположном направлении. Это полностью обеспечивает условия возникновения интерференции. Кроме того, эффект интерференции будет возникать на нескольких частотах. Как показано в [1], для трубы длиной 1 метр будет возникать эффект интерференции на частотах 172Гц, 343Гц, 515Гц и т. д. В результате, по длине трубы будут возникать участки, где амплитуда акустических сигналов будет больше, чем амплитуда исходного акустического сигнала.

2.3 Особенности восприятия акустических сигналов человеком

В начале описания акустических сигналов уже упоминалось, что осознанно человек может воспринимать акустические сигналы в диапазоне частот от 16Гц до 20 кГц. Все особенности восприятия акустических сигналов связаны со строением органа слуха человека. Орган слуха человека состоит из наружного уха, среднего уха и внутреннего уха. Наружное и среднее ухо служат для подведения акустических колебаний газовой среды к внутреннему уху, которое преобразует механические колебания в сигналы нервной системы. Наружное ухо дополнительно обеспечивает пространственную избирательность по восприятию акустических сигналов. При этом, акустические сигналы с одинаковой частотой и амплитудой, но распространяющиеся из разных точек окружающего пространства воспринимаются с разной интенсивностью. На рис. 2.11 показано в обобщенном виде строение внутреннего уха человека. Этот орган в медицине называется улиткой, так как похож на нее по форме (скручен в спираль). Для простоты, улитка показана в развернутом виде в продольном и поперечном разрезе.

Рис. 2.11. Строение улитки [1].

Улитка содержит две мембраны: 1 и 2. Мембрана 1 называется мембрана овального окна, а мембрана 2 называется мембрана круглого окна. Материал мембран имеет меньшую жесткость по сравнению с корпусом улитки. В связи с эти при изменении давления среды они могут деформироваться. При этом, звуковые колебания передаются только через мембрану овального окна, посредством механических колебаний барабанной перепонки. Внутренность улитки заполнена жидкостью под названием лимфа. Так как жидкость малосжимаема по сравнению с газовой средой, при деформациях мембран в лимфе будут распространяться колебания в виде изменения давления. Улитка разделена на две части костной перегородкой 5. Поверх костной перегородки расположен слуховой нерв 4. Над слуховым нервом располагается конструкция, называемая основной мембраной. В отличии от мембран овального и круглого окна основная мембрана не является сплошной, а состоит из волокон разной длины и толщины, натянутых поперек улитки. При воздействии акустических колебаний газовой среды, в лимфе возникнут изменения давления жидкости, характер которых соответствует характеру изменения давления акустических сигналов. Колебания жидкости вызовут колебания волокон основой мембраны, которые начнут касаться нервных клеток слухового нерва. В результате этого возникнут нервные импульсы, обеспечивающие восприятие звука человеком. Так как волокна основной мембраны имеют разную длину и толщину, можно предположить, что эффективность преобразования колебаний давления в лимфе в колебания волокон будет зависеть от частоты акустических сигналов, аналогично струнам музыкальных инструментов. Это предположение полностью подтверждается практикой. Среднестатистическая зависимость чувствительности человеческого слуха по отношению к акустическим сигналам с разными частотами показана на рис. 2.12.

Рис. 2.12. Избирательность человеческого слуха [1].

Как видно из рисунка, слух человека имеет максимумы чувствительности на частотах 250 Гц, 1 кГц, 4 кГц. При исследовании чувствительности слуха человека к акустическим сигналам с разными частотами было сделано интересное предположение, которое полностью подтвердилось экспериментально. При этом, волокна наиболее эффективно воспринимающие низкочастотные колебания расположены ближе к концу улитки, а волокна эффективно воспринимающие высокочастотные сигналы расположены ближе к мембранам круглого и овального окна. Вследствие конечного числа волокон основной мембраны и клеток слухового нерва человек в среднем может различать не более 250 градаций частоты акустических сигналов во всем диапазоне частот. Причем, при уменьшении интенсивности акустических сигналов число градация восприятия сигналов по частоте уменьшается.

Можно предположить, что, если из исходного широкополосного акустического сигнала выделить полосу частот 300Гц … 3,4 кГц, серьезного ухудшения в восприятии информации не произойдет. Данное предположение полностью подтвердилось экспериментальными данными. Указанная полоса частот в области передачи акустических сигналов по каналам связи называется – канал тональной частоты. Также данная особенность чувствительности человеческого слуха определяет особенности организации процесса измерения параметров акустических сигналов в широкой полосе частот. Всю полосу частот акустических сигналов разделяют не на равные отрезки, а на отличные по ширине. При этом, центральную частоту каждого участка называют октавной частотой. Конкретное значение октавной частоты определяется по отношению к сос

⇐ Предыдущая 123 4 5 6 7 Следующая ⇒