1.3 Характеристика среды распространения

Акустические волны в газообразной среде в диапазоне частот 16 Гц – 20 кГц

воспринимаются человеком как звук. Как носители информации они характеризуются следующими свойствами:

• Скоростью распространения;

• Энергией (мощностью);

• Величиной затухания (мерой ослабления энергии звуковой волны при ее распространении);

• Условиями распространения.

Скорость звука в воздухе пропорциональна корню квадратному из температуры газа, значению универсальной газовой постоянной, отношению величин теплоемкостей газа при постоянном объеме и давлении. При температуре воздуха 18^◦ С и атмосферном давлении 10⁵ Па скорость звука составляет 340 м/с.

При распространении звуковых колебаний движение частиц среды вызывает давление во фронте волны. Фронтом звуковой волны называется поверхность, соединяющая точки поля с одинаковой фазой колебания. Изменение давления в звуковой волне относительно средней величины называется звуковым давлением Р (Па). В акустике используется относительная единица измерения звукового давления ― децибел:

(1)

где Р₀ = 20 мкПа минимальное изменение звукового давления, воспринимаемое человеком.

Перенос энергии в воздушной среде при распространении звуковой волны характеризуется интенсивностью звука — средним количеством энергии, переносимым через единицу площади за единицу времени.

Интенсивность сферической акустической волны в результате расхождения убывает обратно пропорционально расстоянию от источника. В этом случае затухание обусловлено распределением акустической энергии по пространству. Другой основной причиной затухания волн в свободном пространстве является поглощение энергии волны средой, диссипация (рассеяние акустической волны на каплях дождя, снежинках, пылинках, ветках) или поглощение энергии за счет вязкого трения, зависящее от квадрата частоты колебаний частиц — поэтому колебания с частотами выше 1000 Гц затухают особенно быстро. Степень поглощения растет также и при уменьшении относительной влажности воздуха. Существенное значение для затухания имеют неоднородности атмосферы, вызванные неравномерным распределением в пространстве силы и скорости ветра, температуры, давления, искривляющих акустическую волну. Однако атмосферные неоднородности в ряде случаев создают условия для образования звуковых каналов, по которым акустическая волна может распространяться на значительно большие расстояния, подобно распространению света по оптическим световодам. Это происходит благодаря отражению звука от поверхностей разделов слоев воздуха (воды) с разными значениями температуры и плотности, чем и объясняются значительные колебания (в 10 и более раз) дальности распространения звука в атмосфере.

Дальность подслушивания повышается ранним утром и вечером, в пасмурную погоду, после дождя, над водной поверхностью, зимой при отсутствии снегопада, в горах за счет отражений от них, а также в том случае, если ветер дует со стороны источника звука. Дождь, снег, встречный (по направлению к источнику звука) ветер могут увеличить затухание акустической волны на 8–10 дБ для расстояния 100 м. При звуке, направленном против ветра, лучи акустической волны изгибаются вверх и могут пройти выше находящегося на земле приемника, а при звуке по ветру они изгибаются вниз, увеличивая дальность слышимости с подветренной стороны.

При распространении акустической волны в среде ее траектория изменяется в результате отражений. На границе сред с разной плотностью акустическая волна частично переходит из одной среды в другую, частично отражается от границы между двумя средами. При падении звука из воздуха на воду, бетон, дерево в эти среды проникают сотые доли мощности звука.

В помещении акустическая волна многократно отражается от ограждений, в результате чего в нем возникает сложное акустическое поле в виде совокупности волн, приходящих непосредственно от источника (прямых волн) и отраженных. Такое звуковое поле называется диффузным, оно считается одинаковым во всех точках помещения и в любой точке состоит из волн, которые с равной вероятностью приходят в эту точку по всем направлениям. Характер диффузного поля влияет на качество принимаемого звука. Это влияние оценивают коэффициентом — акустическим отношением, равным отношению суммарного уровня отраженных волн к уровню прямой волны. Акустическое отношение может достигать значения 10–15. Однако при значении акустического отношения более 4 ухудшается четкость звучания — возникает гулкость звука.

За счет переотражений акустической волны в замкнутом пространстве возникает явление послезвучания — реверберация. Величина реверберации оценивается временем реверберации Т, равного времени уменьшения интенсивности звука после выключения его источника на 60 дБ. Для большинства типовых помещений организаций время реверберации мало (порядка долей секунды) и его можно не учитывать при оценке разборчивости.

Особый интерес с точки зрения предотвращения утечки речевой информации представляет процесс распространения акустической волны в волноводах, примерами которых являются воздуховоды вентиляции и короба коммуникаций. Поскольку за счет многократных переотражений акустической волны в звуководе ее энергия не рассеивается, дальность ее распространения может быть значительно больше, чем в свободном пространстве. В случае если поперечные размеры волновода сравнимы с длинной волны, затухание при распространении по нему звука составляет 0,15 дБ/м в металлических волноводах и 0,2–0,3 дБ/м в неметаллических. При изгибах затухание составляет 3–7 дБ на изгиб, при изменениях сечения 1–3 дБ. Ослабление сигнала на выходе из воздуховода составляет 10–16 дБ [11].

Следующими по опасности являются звуководы с размерами значительно меньше длины звуковых волн. Затухание в таких каналах является весьма значительным и составляет 1–20 дБ/м [3].

Качество слышимой речи зависит от уровня и характера помех в среде распространения. Акустические помехи (шумы) вызываются многочисленными источниками — автомобильным транспортом, ветром, техническими средствами в помещениях, разговорами в помещениях и т. п. Уровни шумов изменяются в течение суток, дней недели, зависят от погодных условий. Ночью и в выходные дни шумы меньше.