Способ и система оценки неоднородностей в ограждающих конструкциях

Название	Способ и система оценки неоднородностей в ограждающих конструкциях
Разработчик (Авторы)	Агуреев Иван Александрович, Смирнов Сергей Николаевич, Рыжиков Сергей Сергеевич, Васильев Андрей Савельевич
Вид объекта патентного права	Изобретение
Регистрационный номер	2807009
Дата регистрации	08.11.2023
Правообладатель	Агуреев Иван Александрович
Область применения (класс МПК)	G01H 11/06 (2006.01)

Описание изобретения

Изобретение относится к области акустики и может найти применение в сфере обеспечения информационной безопасности объектов различного назначения при оценке защищенности выделенных помещений от несанкционированного перехвата акустической речевой информации, имеющей конфиденциальный характер.

Известно, что циркулирующая в некотором выделенном помещении речевая информация физически представляет собой звуковые волны, распространяемые внутри этого помещения, которые могут проникать через его ограждающие конструкции (стены, перекрытия, окна и двери) за счет вызываемых звуковыми волнами колебаний конструкций и создания последними колебаний в воздушной среде смежных помещений, а также распространяться по элементам инженерных систем (в т.ч. через короба вентиляции, трубопроводные системы отопления и водоснабжения т.п.) в смежные и/или находящиеся с ним в одном здании помещения, а также за пределы здания. Такая речевая информация может быть несанкционированно перехвачена посредством специальных технических средств. Следовательно, оценка звуко- и виброизоляции помещения имеет большое значение как для обеспечения комфортной акустической среды в смежных помещениях, так и для повышения информационной безопасности государственных учреждений и коммерческих организаций.

Задача предотвращения утечки акустической (речевой) информации из помещений, предназначенных для проведения конфиденциальных переговоров (далее ЗП – защищаемые помещения), продолжает оставаться актуальной, так как речевое общение в этих случаях носит превалирующий характер. Защищенность ЗП от утечки конфиденциальной информации, как правило, оценивается энергетическими (отношение сигнал/шум на входе технического средства) или информационными (словесная разборчивость речи) показателями.

Существующие в настоящее время подходы предполагают разбиение звукового диапазона (175…5600 Гц) на 5 октав, формирование внутри ЗП в каждой октаве заданного уровня акустического тест-сигнала, измерение в выбранных контрольных точках (КТ) за пределами ограждающих конструкций уровней шума (при выключенном тестовом сигнале) и уровней аддитивной смеси акустических (вибрационных) сигналов и шума (при включенном тестовом сигнале). Решение о защищенности/незащищенности ЗП принимается на основе ослабления уровня тестового сигнала в соответствующей октавной полосе не менее заданного значения (для акустического канала) и интегрального показателя величины словесной разборчивости речи W (для виброакустического канала).

Точность полученных результатов определяется, прежде всего, человеческим фактором (добросовестностью операторов, проводящих измерения), характеристиками технических средств (измерительная аппаратура должна иметь действующее поверочное свидетельство) и корректностью выбора КТ.

Наличие в ограждающих конструкциях защищаемого помещения как явных (отверстия, щели и пр.), так и скрытых (различные полости, разнородные материалы) неоднородностей, может существенно сказаться на итоговом результате при оценке его защищенности.

При работе с оцифрованными данными, полученными в результате исследования различных звуковых сигналов, существует проблема их представления в наглядной форме – удобной для восприятия и оперативной интерпретации.

Техническим результатом является повышение качества и оперативности обследования ограждающих конструкций для принятия решения об их (не)однородности.

Для достижения технического результата согласно варианту осуществления изобретения предлагается система оценки неоднородностей в ограждающих конструкциях, содержащая источник сигнала, закрепленные на исследуемую поверхность N-датчиков, регистрирующее устройство, блок анализа и визуализации результатов. Источник сигнала выполнен с возможностью обеспечивать генерацию плавно изменяющегося в определенном диапазоне частот зондирующего звукового воздействия на исследуюмую поверхность. Датчики равномерно удалены друг от друга на определенное расстояние и подключены ко входам регистрирующего устройства. Регистрирующее устройство, выходы которого являются входами блока анализа и визуализации результатов, осуществляет преобразование поступающих сигналов по заданному алгоритму. Блок анализа и визуализации результатов выполнен с возможностью сделать вывод об однородности/неоднородности структуры анализируемой поверхности на основе сравнения полученных результатов измерений датчиков на идентичность.

Согласно другому варианту осуществления изобретения предлагается способ оценки неоднородностей в ограждающих конструкциях. В способе закрепляют на исследуемую поверхность N-датчиков, равномерно удаленных друг от друга на определенное расстояние. Далее генерируют плавно изменяющееся в определенном диапазоне частот зондирующее звуковое воздействие на исследуемую поверхность с помощью источника сигнала. Затем осуществляют с помощью регистрирующего устройства преобразование поступающих с датчиков сигналов по заданному алгоритму. Выполняют с помощью блока анализа и визуализации результатов сравнение полученных результатов измерений датчиков на идентичность. После чего принимают решение об однородности/неоднородности структуры анализируемой поверхности на основе результатов сравнения.

Учет выявления возможных неоднородностей в ограждающих конструкциях ЗП позволит повысить качество оценки его защищенности от утечки конфиденциальной информации, исключив места с пониженным звуко- и виброослаблением тестового воздействия.

На фиг. 1 представлены примеры сонограммы от двух датчиков.

На фиг. 2 схематично показан пример реализации системы.

Для повышения точности проводимых исследований представляется целесообразным переход от применяемого стандартного набора тестовых сигналов соответствующего уровня на среднегеометрических частотах октавных полос к свипированию, т.е. плавному изменению частоты по всему речевому диапазону (175…11200 Гц). Регистрируемый измерительными устройствами сигнал далее подвергается дискретизации для последующего преобразования в ряды Фурье.

Согласно предлагаемого изобретения осуществляется визуализация получаемых данных в виде сонограмм – графического спектрально-временного представления звуковых колебаний (см. фиг. 1) в 3-х мерных координатах (время – ось х, частота – ось у и уровень сигнала – яркость изображения). На фиг. 1 представлены сонограммы от двух датчиков, где имеются некоторые различия, которые могут быть отнесены к незначительным, т.е. связанными с погрешностью измерений (обозначены синим цветом) и значительным (красный цвет), что означает наличие в ограждающей конструкции некоторой неоднородности в зоне расположения второго датчика, что вызвало соответствующий амплитудный отклик на сонограмме. Выявление неоднородности может быть осуществлено путем сравнения полученных сонограмм (результатов измерений датчиков) на идентичность, например, определения для них взаимокорреляционной функции.

Контрольными точками (КТ) являются места возможной установки акустических и вибрационных датчиков, а также места непреднамеренного прослушивания речи, в которых при инструментальном контроле производятся измерения отношений «сигнал/шум» с целью последующей защищенности ЗП от утечки конфиденциальной информации. Количество КТ и места их расположения зависят от размеров поверхности оцениваемой ограждающей конструкции и от ее неоднородности.

Для аппаратного обнаружения скрытых неоднородностей в ограждающих конструкциях могут применяться, в частности, специализированный 4-х канальный программно-аппаратный комплекс для проведения акустических и виброакустических измерений «Спрут-11», либо 4-канальный измерительно-индикаторный блок ЭКОФИЗИКА-110А-HF (см. фиг. 2).

Наличие 4-х независимых каналов, к которым могут быть подключены измерительные микрофоны или акселерометры, при соответствующей калибровке для достижения идентичности всех четырех измерительных трактов и переход от фиксированных среднегеометрических частот октав к режиму качающейся частоты (свипированию) позволят обнаружить скрытые неоднородности в ограждающих конструкциях.

Однако необходимость обработки больших массивов, получаемых данных с целью принятия решения о классификации различий в результатах измерений от всех датчиков на погрешность измерений, вследствие воздействия каких-либо внешних шумов, или на выявления факта о наличии участка в ограждающей конструкции с отличными от других значениями звуко- и виброослабления.

Предлагаемый подход за счет визуализация получаемых данных в виде сонограмм позволит оперативно принимать решение о (не)однородности проверяемой ограждающей ЗП конструкции.

На поверхности (2), находящейся под внешним плавно изменяющимся в определенном диапазоне частот зондирующим воздействием от источника (1), закреплены N-датчиков (3а…3n), равномерно удаленных друг от друга на определенном расстоянии и подключенных ко входам регистрирующего устройства (4), осуществляющего преобразование поступающих сигналов по заданному алгоритму, выходы которого являются входами блока анализа и визуализации результатов (5), позволяющего на основе определённых критериев сделать вывод об однородности/неоднородности структуры анализируемой поверхности.

Источник сигнала (1) осуществляет генерацию линейно изменяющегося в определенном диапазоне частот (sweep capability – режим качающейся частоты) звукового сигнала, воздействующего на исследуемую поверхность (2) некоторой ограждающей конструкции, где закреплены N датчиков (3), равномерно удаленных друг от друга. В одном из вариантов реализации, это могут быть 4 акселерометра, закрепленные на удалении друг от друга на расстоянии 0.5 м измеряющие уровень вибрации поверхности до и во время звукового воздействия. Таким образом будет контролироваться фрагмент поверхности 2х2 м.

Датчики подключены ко входам 4-х канального регистрирующего устройства (4), в качестве которого может применяться, например, виброакустический анализатор «СПРУТ-ВАА-4» (четырехканальный анализатор спектра – виброметр) из состава комплекса «СПРУТ-11М», предназначенного для измерений звукового давления и виброускорения (производство ЗАО НПЦ Фирма «НЕЛК»).

Измерительные тракты регистрирующего устройства (4) с подключенными датчиками предварительно должны быть соответствующим образом откалиброваны для получения идентичных результатов. Регистрируемые измерительными датчиками сигналы далее подвергаются дискретизации для последующего преобразования Фурье и визуализации в виде сонограмм – графического спектрально-временного представления звуковых колебаний (см. фиг. 1) в 3-х мерных координатах (время – ось х, частота – ось у и уровень сигнала – яркость изображения). Блок анализа и визуализации (5) осуществляет сравнение полученных сонограмм (результатов измерений датчиков) на идентичность, например, путем определения для них взаимокорреляционной функции.

При получении идентичных показателей по всем датчикам и во всем диапазоне частот можно утверждать, что исследуемый фрагмент ограждающей конструкции является однородным, т.е. лишенным визуально ненаблюдаемые неоднородности типа «трещина», «полость», «арматура» и т.д. Расхождение показателей будет свидетельствовать о наличие скрытой неоднородности, что предопределяет необходимость более тщательного исследования данного фрагмента ограждающей конструкции помещения.

На поверхности ограждаемой конструкции закреплены 4 идентичных датчика, перекрывающие фрагмент поверхности 2х2 м (датчики расположены симметрично друг относительно друга) и подключенные к четырехканальному измерительному устройству с калиброванными трактами измерения. На поверхность осуществляется тестовое воздействие с постоянным уровнем звукового давления, изменяющееся в пределах – по определенному закону (линейный, логарифмический). Выходной аналоговый сигнал с каждого из датчиков оцифровывается с частотой дискретизации не ниже F, где F – максимальная частота диапазона свипирования входного тестового воздействия, и накапливаются в соответствующих блоках памяти. Таким образом, значения с каждого датчика могут быть представлены в виде массива (4 датчика – 4 массива). Все массивы M1, M2, M3, M4 имеют одинаковый размер и из них с помощью преобразования (например, программного и/или аппаратного быстрого преобразования Фурье (БПФ)) могут быть извлечены данные о значении амплитуды сигнала, соответствующего некоторой частоте входного воздействия.

Если задать шаг перестройки частоты ∆f на по всему диапазону свипирования, то на каждом шаге перестройки частоты будет получен квартет значений амплитуд Aij сигнала от датчиков, где i=1…n – номер частоты сканирования, j=1…4 – порядковый номер датчика. Например, набор значений амплитуд для частоты f1 будет представлен набором A11, A12, A13, A14. Для данного квартета амплитуд вычисляется среднее значение.

Далее осуществляется расчет отклонения амплитуд сигналов для каждого датчика от вычисленного среднего значения по всему диапазону свипирования.

Если вычисленные отклонения датчиков по всему диапазону частот не выходят за границы доверительного интервала (имеют нормальное распределения), то исследуемый фрагмент поверхности ограждающей конструкции считается однородным.

Визуализация данных вычислений для принятия решения об однородности исследуемого фрагмента поверхности может быть осуществлена либо в форме графиков распределения отклонений от вычисленных средних значений, либо в виде сонограмм – графического представления величины отклонения как яркости отображаемого сигнала в координатах частота-время.

Формула изобретения

1. Система оценки неоднородностей в ограждающих конструкциях, содержащая источник сигнала, закрепленные на исследуемую поверхность N-датчиков, регистрирующее устройство, блок анализа и визуализации результатов, причем источник сигнала выполнен с возможностью обеспечивать генерацию плавно изменяющегося в определенном диапазоне частот зондирующего звукового воздействия на исследуемую поверхность, датчики равномерно удалены друг от друга на определенное расстояние и подключены ко входам регистрирующего устройства, регистрирующее устройство, выходы которого являются входами блока анализа и визуализации результатов, выполнен с возможностью преобразования поступающих сигналов по заданному алгоритму, блок анализа и визуализации результатов выполнен с возможностью сделать вывод об однородности/неоднородности структуры анализируемой поверхности на основе сравнения полученных результатов измерений датчиков на идентичность, при этом система выполнена с возможностью оцифровки сигнала, выполнения быстрого преобразования Фурье, задания перестройки частоты f на по всему диапазону свипирования, получения квартета значений амплитуд Aij сигнала от датчиков, определения среднего значения квартета амплитуд, определения отклонения амплитуд сигналов для каждого датчика от вычисленного среднего значения по всему диапазону свипирования, вычисления отклонений датчиков по всему диапазону частот за границы доверительного интервала.

2. Способ оценки неоднородностей в ограждающих конструкциях, содержащий этапы, на которых: закрепляют на исследуемую поверхность N-датчиков, равномерно удаленных друг от друга на определенное расстояние; генерируют плавно изменяющееся в определенном диапазоне частот зондирующее звуковое воздействие на исследуемую поверхность с помощью источника сигнала; осуществляют с помощью регистрирующего устройства преобразование поступающих с датчиков сигналов по заданному алгоритму; оцифровывают сигнал, выполняют быстрое преобразование Фурье, задают перестройку частоты f на по всему диапазону свипирования, получают квартет значений амплитуд Aij сигнала от датчиков, определяют среднее значение квартета амплитуд, определяют отклонения амплитуд сигналов для каждого датчика от вычисленного среднего значения по всему диапазону свипирования, выполняют с помощью блока анализа и визуализации результатов сравнение полученных результатов измерений датчиков на идентичность; определяют, выходят ли вычисленные отклонения датчиков по всему диапазону частот за границы доверительного интервала, принимают решение об однородности/неоднородности структуры анализируемой поверхности на основе результатов сравнения. 

Изобретение "Способ и система оценки неоднородностей в ограждающих конструкциях" (Агуреев Иван Александрович, Смирнов Сергей Николаевич, Рыжиков Сергей Сергеевич, Васильев Андрей Савельевич) отмечено юбилейной наградой (25 лет Российской Академии Естествознания)
Медаль Альфреда Нобеля

Оформление наградных документов и заказ каталога