Методики оценки акустической защищённости помещений без применения инструментальных средств

Материал из Национальной библиотеки им. Н. Э. Баумана
Последнее изменение этой страницы: 13:18, 24 марта 2015.

__NUMBEREDHEADINGS__ Аннотация В данном материале описывается методика оценки акустической защищённости помещений без применения инструментальных средств. Методика может найти применение при оценке как уже имеющихся, так и строящихся помещений. Используя расчётные параметры и прилагаемую программу “Оценка акустической защищённости помещения”, которая реализует данную методику, можно определить критичность акустического канала утечки информации.

Введение

Акустическая защищённость помещения может быть определена с помощью уровня разборчивости речи за его пределами. Под разборчивостью понимают некоторую интегральную оценку речевого сигнала и, в соответствии с международным стандартом ISO/TR 4870, определяют как “степень, с которой речь может быть понята (расшифрована) слушателями”. Под этим понимается степень, с которой слушатели могут идентифицировать (понять смысл) фраз, слов, слогов и фонем. В соответствии с этим различаются виды разборчивости: фонемная, слоговая, словесная и фразовая, которые, однако, все связаны друг с другом, и могут быть пересчитаны одна в другую.

Для определения разборчивости на практике, в частности, при оценке акустических свойств аудиторий, театральных, концертных залов, студий и, конечно же, обычных комнат и офисов, используется множество субъективных методов (стандарты ГОСТ 25902-83, ГОСТ 51061-97, ANSI S3.2 и др.). Однако, учитывая, что процесс организации субъективных экспертиз достаточно сложная, длительная дорогостоящая процедура, на протяжении уже многих лет ведутся работы по поиску объективных методов оценки разборчивости, позволяющих получить быстрые и автоматизированные оценки, хорошо совпадающие с субъективными экспертизами.

В настоящее время разработано достаточно большое количество объективных методов, основные из них:

  • AI (Articulation Index) - индекс артикуляции;
  • ALcons (Percentage Articulation Loss of Consonants) - процент артикуляционных потерь согласных;
  • STI (Speech Transmission Index) - индекс передачи речи;
  • RASTI (Rapid Speech Transmission Index) - быстрый индекс передачи речи;
  • SII (Speech Intelligibility Index) - индекс разборчивости речи.

Все методы учитывают определённые акустические характеристики влияющие на разборчивость:

  • уровень речевого сигнала во всех точках помещения;
  • уровень внешних и внутренних шумов;
  • время реверберации;
  • структура, уровень и направление прихода отражённых сигналов.

В России был разработан аналог метода AI, который в трудах М. А. Сапожкова получил название “метода формантной разборчивости”. Именно на этом методе основана оценка акустической защищённости, описанная в этом материале.

Порядок проведения оценки

Рассчитать уровень речевого сигнала в контролируемом помещении.

Рассчитать уровень речевого сигнала за звукоизолирующей конструкцией (стены, окна, двери, перегородки). То есть уровень сигнала в предполагаемом для прослушивания помещении.

Определить предельный спектр шума для помещения, в котором возможно прослушивание.

Пользуясь рассчитанными значениями определить уровни формантной разборчивости и дать заключение о возможности понимания смысла речевого сообщения вне контролируемого помещения.

Канал утечки информации

Сигналы

Сигналы являются материальными носителями информации. По своей физической природе сигналы могут быть электрическими, электромагнитными, акустическими и т.д. То есть сигналами, как правило, являются электромагнитные, механические и другие виды колебаний (волн), причем информация содержится в их изменяющихся параметрах.

В зависимости от природы сигналы распространяются в определенных физических средах. В общем случае средой распространения могут быть газовые (воздушные), жидкостные (водные) и твердые среды. Например, воздушное пространство, конструкции зданий, соединительные линии и токопроводящие элементы, грунт (земля) и т.п.

Средства разведки служат для приема и измерения параметров сигналов.

Акустический канал утечки информации

Под акустической понимается информация, носителем которой являются акустические сигналы. В том случае, если источником информации является человеческая речь, акустическая информация называется речевой.

Акустический сигнал представляет собой возмущения упругой среды, проявляющиеся в возникновении акустических колебаний различной формы и длительности. Акустическими называются механические колебания частиц упругой среды, распространяющиеся от источника колебаний в окружающее пространство в виде волн различной длины.

Первичными источниками акустических колебаний являются механические колебательные системы, например органы речи человека, а вторичными - преобразователи различного типа, в том числе электроакустические. Последние представляют собой устройства, предназначенные для преобразования акустических колебаний в электрические и обратно. К ним относятся пьезоэлементы, микрофоны, телефоны, громкоговорители и другие устройства.

В зависимости от формы акустических колебаний различают простые (тональные) и сложные сигналы. Тональный - это сигнал, вызываемый колебанием, совершающимся по синусоидальному закону. Сложный сигнал включает целый спектр гармонических составляющих. Речевой сигнал является сложным акустическим сигналом в диапазоне частот от 150...300 Гц до 4...7 кГц.

В зависимости от физической природы возникновения информационных сигналов, среды распространения акустических колебаний и способов их перехвата каналы утечки акустической (речевой) информации можно разделить на воздушные, вибрационные, электроакустические, оптико-электронный и параметрические. В данной работе рассматривается воздушный канал утечки информации, в котором средой распространения акустических сигналов является воздух.

Формирование и восприятие речевого сигнала

Существуют два основных взгляда на формирование и восприятие речевых сигналов:

  1. с точки зрения аналоговых преобразований речевых сигналов;
  2. с точки зрения дискретных преобразований речевых сигналов, исходя из основных понятий теории разборчивости и теории информации.

В настоящей работе рассматриваются процессы аналоговых преобразований речевого сигнала.

При произнесении звуков речи через речевой тракт, представляющий собой сложный акустический фильтр с рядом резонаторов, создаваемых полостями рта, носа и носоглотки, проходит либо тональный импульсный сигнал (звонкие звуки), либо шумовой (глухие звуки), либо тот и другой вместе. Вследствие этого равномерный тональный или шумовой спектр превращается в спектр с рядом максимумов, называемых формантами, и минимумов, называемых антиформантами.

Так как наиболее информативными являются глухие согласные, то при действии шумов разборчивость речи снижается, в первую очередь, из-за маскировки глухих звуков. Ухо человека обладает свойствами дискретного восприятия по частотному и динамическому диапазонам. Слуховое ощущение пропорционально логарифму раздражающей силы:

где - раздражающая сила на пороге слышимости. Величину называют уровнем ощущения, причём
где - уровень интенсивности звука , Вт/м2.


Уровень ощущения, представляя собой уровень над порогом слышимости, неточно характеризует субъективное ощущение, поэтому в акустике применяется понятие уровня громкости звука (или шума), под которым понимается уровень в децибелах равногромкого с ним чистого тона 1000 Гц. В соответствии с кривыми равной громкости [1,4,5], при уровне 30-40 фон (уровень громкости в дБ на частоте 1000 Гц) в диапазоне частот 250...500 Гц происходит уменьшение громкости примерно на 6 дБ, поэтому при приеме элементов речи техническими средствами, это снижение можно компенсировать частотной коррекцией, что невозможно осуществить при приеме речи человеком.

Влияние шумов на восприятие речи

Восприятие речи в значительной степени зависит от уровня акустических шумов, которые вызываются многочисленными источниками - как внешними, находящимися за пределами помещения, так и внутренними. Обычно при расчетах рассматриваются стационарные шумы, однако в течение длительного периода времени (день - ночь, рабочие дни - выходные) шумы могут носить нестационарный характер, т.е. изменяться во времени. Маскирующие свойства шумов проявляются тем сильнее, чем больше их превышение над полезным сигналом во всей полосе частот речевого диапазона. Наибольший маскирующий эффект имеют широкополосные помехи с ”гладким” спектром, но удовлетворительная разборчивость речи может быть достигнута даже в том случае, если уровень речи будет на несколько децибел ниже уровня шума.

Узкополосные же помехи даже низкого уровня не могут обеспечить требуемой степени зашумления речи, так как они, как правило, имеют периодический характер, что позволяет их частично компенсировать c помощью различных фильтров. Спектральные уровни речи и шумов для русского языка по октавным полосам приведены в работе “Звукофикация помещений. Проектирование и расчет” Сапожкова А. А. Для определения максимально допустимого уровня шума в помещениях, в соответствии с санитарными нормами, применяются предельные спектры (ПС). Число при ПС означает уровень шума в октавной полосе со среднегеометрической частотой 1000 Гц. Так как санитарные нормы ограничивают максимальное значение уровня шума для различных типов помещений, то предельные спектры можно использовать для расчета разборчивости речи в конкретных условиях [1]. Уровни интенсивности речи в октавных полосах и некоторые значения предельных спектров шумов приводятся в табл. 1 Значения уровней шумов, измеренные на частоте 1000 Гц в различных местах [1] приводятся в табл. 2.

Таблица 1. Уровни интенсивности речи в октавных полосах и предельные спектры шумов
№ Октавы Средняя частота Уровни речи и предельные спектры шумов [1], дБ
Речь ПС-20 ПС-25 ПС-30 ПС-35 ПС-40 ПС-45 ПС-50 ПС-55
1
2
3
4
5
6
250
500
1000
2000
4000
6000
67,9
66,9
61,5
57,0
53,0
48,5
31
24
20
17
14
13
35
29
25
22
20
18
40
34
30
27
25
23
45
39
35
32
30
28
49
44
40
37
35
33
54
49
45
42
40
38
59
54
50
47
44
43
63
58
55
52
50
49
Суммарные уровни 71 32,3 36,6 41,6 47 51 60 61 65


Таблица 2. Уровни шумов, измеренные на частоте 1000Гц
Источник шума и место его измерения Уровень шума, дБ (f=1000Гц)
Акустические шумы вне помещений
Тихий сад 20
Тихая улица (без движения транспорта) 30-35
Обычный средний шум на улице 55-60
Шумная улица без трамвайного движения 60-75
Трамвай на расстоянии 10-20 м 80-85
Троллейбус на расстоянии 5 м 77
Грузовой автомобиль в городе на расстоянии 10-20 м 60-75
Легковой автомобиль в городе на расстоянии 10-20 м 50-65
Электропоезд на эстакаде на расстоянии 6 м 90
Акустические шумы в помещениях
Обычное учреждение, жилое помещение 40
Шёпот на расстоянии 1 м 20-25
Спокойный разговор 3 человек в комнате средних размеров 45-50
Громкая музыка по радио 80
Разговор на расстоянии 1 м :
Обычный 55-60
Громкий 65-70
Громкий разговор по телефону 55
Шумное собрание 65-70
Коридоры 35-40
Бухгалтерия без посетителей 30-35
Комната шумная 40-50
Комната тихая 25-30
Кабинет при одном работающем 20-25

Понятность и разборчивость речи

Разборчивостью называют относительное или процентное количество принятых специально тренированными слушателями (артикулянтами) элементов речи из общего количества переданных по тракту. Так как в качестве элементов речи применяют звуки, слоги, слова и фразы, то имеет место звуковая, слоговая, словесная и фразовая разборчивость. Все они при испытании одной и той же системы будут выражаться разными численными величинами, так как процент правильных оценок для предвиденного сообщения всегда выше, чем для непредвиденного, степень же предвидения при прослушивании фразы выше, чем при слушании отдельных слов или слогов. Однако все виды разборчивости связаны друг с другом однозначными функциональными зависимостями, представляемыми обычно в виде кривых или таблиц. Объективные, измерительные оценки разборчивости речи могут производиться с помощью вычисления разборчивости формант.

По формантной разборчивости определяют слоговую , словесную , фразовую разборчивость и понятность речи. Зависимость между формантной (суммарной вероятностью приема формант), слоговой S и словесной W разборчивостью речи приведена в табл. 3.

Форманты звуков речи заполняют весь частотный диапазон 150...7000 Гц. Этот частотный диапазон делят на 20 полос равной разборчивости. Вероятность появления формант в каждой полосе равной разборчивости равна 0,05. При прослушивании речи в условиях шумов разборчивость получается меньшей, чем в их отсутствие. Коэффициент w, определяющий это уменьшение, называют коэффициентом восприятия или коэффициентом разборчивости, т.е. в каждой полосе равной разборчивости вероятность приема формант . Коэффициент разборчивости определяется уровнем ощущения формант

где - средний спектральный уровень речи;
- спектральный уровень шумов.

Для практики применение полос равной разборчивости неудобно, так как получающиеся частотные полосы нестандартны. Для каждой полосы равной разборчивости коэффициент разборчивости в общем случае будет разный, поэтому в акустических измерениях используются октавные или третьоктавные частотные полосы. Значения коэффициентов разборчивости речи w, соответствующие определенным уровням ощущения формант , приведены в табл. 4.

Таблица 3. Зависимость между формантной (АФ), слоговой (S) и словесной (W) разборчивостью
Аф, отн. ед. S, % W, % Аф, отн. ед. S, % W, %
0,05
0,10
0,15
0,20
0,25
0,30
0,35
0,40
0,45
0,50
5,0
15,0
26,0
36,0
46,0
54,0
62,5
69,0
75,0
80,0
30,0
63,0
76,0
85,0
90,0
93,0
94,5
96,0
97,0
98,0
0,55
0,60
0,65
0,70
0,75
0,80
0,85
0,90
0,95
1,00
84,0
87,0
90,0
92,5
95,2
96,5
98,0
99,0
99,5
100,0
98,5
98,8
99,0
99,2
99,4
99,6
99,7
99,8
99,9
100,0


Таблица 4. Значения коэффициентов разборчивости w, соответствующие определённым уровням ощущения формант ЕФ
Еф, дБ w, отн. ед. Еф, дБ w, отн. ед. Еф, Дб w, отн. ед.
-12
-11
-10
-9
-8
-7
-6
-5
-4
-3
-2
0,010
0,015
0,020
0,030
0,040
0,050
0,060
0,075
0,095
0,110
0,140
-1
0
3
6
9
12
15
18
19
20
21
0,17
0,20
0,30
0,40
0,50
0,60
0,70
0,80
0,83
0,86
0,88
22
23
24
25
26
27
28
29
30
33
36
0,900
0,915
0,930
0,945
0,960
0,970
0,980
0,985
0,990
0,995
1,000

Понятность речи, являясь фонетической характеристикой разборчивости, определяется в процессе обычных телефонных переговоров для не тренированных специально абонентов. При этом понятность считается:

  • отличной, если переговоры ведутся без переспросов;
  • хорошей, если бывают отдельные переспросы редко встречающихся слов или неизвестных фамилий, названий и т.п., о которых нельзя догадаться по смыслу;
  • удовлетворительной, если требуются частые переспросы и слушатели сообщают, что трудно разговаривать;
  • предельно допустимой, если требуются неоднократные переспросы одного и того же материала в передаче отдельных слов по буквам с полным напряжением слушателей.

Градации понятности речи и соответствующие им значения слоговой и словесной разборчивости, измеренные артикулянтами и дополненные значениями формантной разборчивости (суммарной вероятностью приема формант), взятой из табл. 3, приведены в табл. 5.

Таблица 5. Градации понятности речи и соответствующие им значения формантной (АФ), слоговой (S) и словесной (W) разборчивости
Понятность Разборчивость, %
Формантая (Аф) Слоговая (S) Словесная (W)
Предельно допустимая
Удовлетворительная
Хорошая
Отличная
15-22
22-31
31-50
50 и выше
25-40
40-56
56-80
80 и выше
75-87
87-93
93-98
98 и выше

Учитывая, что восприятие человеком формант обладает свойством аддитивности, то есть каждый участок речевого диапазона вносит свой вклад в общую разборчивость речи, можно рассчитать вклады октавных полос для формантной разборчивости. На основании данных о вкладах октавного анализа для русской речи, приведенных в статье “Экспертная группа компании Тротек. Съем информации по виброакустическому каналу” (“Системы безопасности, связи и телекоммуникаций”, 1995, № 5), можно определить выражение для формантной разборчивости русск., для русской речи:

От качественного приема каждой частотной полосы зависит суммарная разборчивость. Минимальная формантная разборчивость , при которой еще возможно понимание смысла речевого сообщения (суммарная вероятность приема формант) равна 15%, что соответствует 25% слоговой и 75% словесной разборчивости (табл. 5).

Учитывая сказанное, для минимальной формантной разборчивости можно записать:

Рассчитаем на частоте 1000 Гц, так как на этой частоте обычно приводятся значения коэффициента звукоизоляции ограждающих конструкций. Суммарной вероятности приема формант русск. мин. = 0,15 соответствует 100% всего частотного диапазона, а участку, который вносит свой вклад в разборчивость в размере 21,2% (на частоте 1000 Гц), соответствует . Согласно табл. 4, для находим . Так как ухо человека обладает свойствами дискретного восприятия по частотному и динамическому диапазонам, то для того, чтобы речь была вообще не разборчива, возьмем предыдущее значение , для которого на частоте 1000 Гц. Проведя аналогичные действия для остальных пяти октавных полос, а также повторив их для удовлетворительной, хорошей и отличной суммарных вероятностей приема формант для всех шести октавных полос, сведем полученные результаты в табл. 6.

Таблица 6. Разборчивость речи и уровни ощущения формант в октавных полосах
Средняя частота октавных полос, Гц
250 500 1000 2000 4000 6000
Вклад в разборчивость формант, %
6,7 12,5 21,2 29,4 25 5,2
Понятность речи Суммарная разборчивость формант Аф. русск., % Разборчивость речи в конкретной октавной полосе частот, wi
Уровень ощущения формант Еф=Вр-Вш в конкретной октавной полосе частот, дБ
Смысл не понятен <15 0 0.015 0.02 0.03 0.03 0
<-12 -11 -10 -9 -9 <-12
Предельно допустимая 15-22 0,01 0,02 0,03 0,04 0,04 0,007
-12 -10 -9 -8 -8 <-12
Удовлетворительная 22-31 0,015 0,03 0,04 0,06 0,05 0,011
-11 -9 -8 -6 -7 -12
Хорошая 31-50 0,02 0,04 0,06 0,09 0,077 0,016
-10 -8 -6 -4 -5 -11
Отличная =>50 0,03 0,06 0,11 0,147 0,125 0,026
-9 -6 -3 -2 -2 -10


Известно, что на разборчивость речевых сообщений оказывает влияние эффект реверберации, характеризуемый временем уменьшения уровня звукового давления в помещении на 60 дБ после выключения источника. Этот эффект проявляется в наложении речевых отрезков друг на друга за счет переотражения сигнала от поверхностей конструкций, поэтому если помещение имеет звукопоглощающие поверхности, то время реверберации незначительно, однако в больших гулких помещениях реверберация может существенно исказить речь. Время реверберации менее 0,85 секунды незаметно для слуха. Для большинства кабинетов и помещений с мебелью их объёмы и акустическая отделка позволяют не учитывать временные искажения, так как время реверберации в них не превышает 0,6 секунды.

Звукоизоляция ограждающих конструкций

Однородная перегородка

При падении звуковых волн с интенсивностью , на какую-либо перегородку больших размеров в сравнении с длиной волны интенсивность звука с другой стороны перегородки в условиях отсутствия отражения звука в пространстве за перегородкой будет определяться только звукопроводностью перегородки. Коэффициент звукопроводности:

или в логарифмических единицах (звукоизоляция перегородки):

где и - уровни звукового давления с внутренней и внешней сторон перегородки,
и - поверхностная плотность материала перегородки с внутренней и внешней сторон.

Коэффициент звукоизоляции стен с различной поверхностной плотностью в децибелах (с учетом только мембранного переноса) для частот 500...1000 Гц может быть определён по формулам (справочник “Акустика”, 1989):

(1) - для стен с < 200 кг/м2;

(2) - для стен с > 200 кг/м2;

(3) - для двойных жёстких перегородок с воздушной прослойкой между ними с поверхностной плотностью = 30…100 кг/м2; где и - поверхностная плотность первой и второй перегородки, - толщина воздушного слоя между ними.

Значения в формулах 1-3 приводятся для частот 500...1000 Гц; для частот 50...100 Гц звукоизоляция будет на 6 дБ меньше, а для частот около 4000 Гц на 6 дБ больше. Некоторые значения приводятся в табл. 7.

Неоднородная перегородка

Изолирующие свойства перегородки с дверью или окном можно рассчитать по следующей формуле [3]:

(4)

где - величина звукоизоляции неоднородной перегородки;
- величина звукоизоляции глухой части перегородки (без учёта окна или двери);
- величина звукоизоляции двери или окна;
- площадь глухой части стены;
- площадь двери или окна;

Определение уровня акустического сигнала за ограждающей конструкцией

При прохождении через различные строительные конструкции и материалы сигналы ослабевают в зависимости от толщины и поверхностной плотности материала.

Уровень акустического сигнала за ограждающей конструкцией (звукоизолирующей перегородкой) можно определить из следующего выражения:

(5)

где: - уровень речевого сигнала за звукоизолирующей перегородкой;
- уровень речевого сигнала в контролируемом помещении;
- площадь звукоизолирующей перегородки, разделяющей помещения;
- эквивалентная площадь звукопоглощения, м2;
- коэффициент звукоизоляции различных конструкций для частот 500…1000 Гц.

В справочнике по технической акустике (1980) отмечается, что для ориентировочной оценки звукоизоляции меблированных помещений величина , характеризующая реверберационные свойства помещения, может быть принята равной нулю. С учётом этого, а также предполагая, что в качестве приёмника речевых сообщений используется техническое средство, которое может иметь на низких частотах подъём усиления на 6 дБ, выражение для определения примет следующий вид:

(5)

Это выражение в дальнейшем будем применять для расчётов уровня речевого сигнала за звукоизолирующей перегородкой.

Таблица 7. Значения коэффициентов звукоизоляции материалов и ограждающих конструкций
Материал или конструкция Толщина, мм Поверхностная плотность, кг/м2 Qпер, дБ
Материалы:
Доска сплошная сосновая 30,0 19,5 12,0
Доска сплошная дубовая 45,0 33,5 27,0
Фанера многослойная 3,2 2,54 19,0
Фанера многослойная 4,0 3,2 20,0
Фанера многослойная 6,4 3,56 21,0
Фанера многослойная 8,0 6,4 24,0
Фанера многослойная 10,0 8,0 25,0
Стеклопластик 3,0 5,1 21,0
Стеклопластик 5,0 8,5 24,0
Стеклопластик 8,0 13,6 27,0
Стеклопластик 10,0 17,0 28,0
Плиты из прессованной пробки 50,0 30,0 20,0
Железо листовое 2,0 15,6 33,0
Свинец 1,5 19,0 30,0
Свинец 3,2 38,1 32,0
Стекло зеркальное 6,3 17,5 30,0
Стены и перегородок:
Стена из кирпичной кладки без штукатурки (из красного кирпича):
в 0,5 кирпича 120,0 204,0 48,0
в 1 кирпич 250,0 425,0 53,0
в 1,5 кирпича 380,0 646,0 56,0
в 2 кирпича 520,0 884,0 58,0
в 2,5 кирпича 640,0 1088,0 59,0
Виброкирпичная панель, неоштукатуренная 140,0 240,0 49,5
Виброкирпичная панель, неоштукатуренная 160,0 280,0 50,4
Стена из пустотелого кирпича 380,0 - 51,0
Стена из пустотелого кирпича 510,0 - 54,0
Стена из железобетона 100,0 240,0 49,0
Стена из железобетона 140,0 340,0 51,0
Стена из железобетона 160,0 400,0 52,0
Стена из железобетона 180,0 430,0 53,0
Стена из железобетона 200,0 500,0 54,0
Стена из железобетона 300,0 750,0 56,6
Стена из железобетона 800,0 2000,0 62,8
Гипсобетонная (гипсолитовая) плита 80,0 115,0 39,7
Гипсобетонная (гипсолитовая) плита 95,0 135,0 40,6
Газобетонная плита 240,0 270,0 50,25
Керамзитобетонная плита 80,0 100,0 39,0
Керамзитобетонная плита 100,0 150,0 41,2
Керамзитобетонная плита 120,0 195,0 42,6
Шлакоблоки, отштукатуренные с двух сторон 220,0 360,0 52,0
Шлакогипсовые стенные плиты:
2х5 см 130,0 120,0 40,0
2х6 см 170,0 150,0 42,0
Пемзобетонные стенные плиты:
2х6 см 150,0 135,0 40,0
2х8,5 см 200,0 185,0 43,0
Стена из пемзобетона 140,0 150,0 42,0
Стена из пемзобетона 230,0 250,0 50,0
Стена из шлакобетона 140,0 150,0 42,0
Стена из шлакобетона 250,0 400,0 52,7
Стена из шлакобетона из пустотелых пемзобетонных блоков 190,0 190,0 43,0
Стена из шлакобетона из пустотелых пемзобетонных блоков 290,0 270,0 50,0
Древесностружечная плита (ДСП) 20,0 12,0 27,4
Перегородка одинарная из досок толщиной 2 см, оштукатуренная с обеих сторон и оклеенная обоями 60,0 70,0 37,0
Перегородка одинарная из досок толщиной 2,5 см, оштукатуренная с обеих сторон по войлоку 70,0 76,0 39,0
Перегородка двойная из брусков 10 см, обшитых с двух сторон досками толщиной 2,5 см и оштукатуренная с двух сторон 180,0 95,0 45,0
Перегородка двойная из брусков 10 см, обшитых с двух сторон досками толщиной 2,5 см и оштукатуренная с двух сторон по войлоку 190,0 96,0 47,0
Перегородка двойная из фанерных листов толщиной 3 мм с промежутком 2,5 см, заполненным шлаковатой 30,0 8,0 26,0
Перегородка двойная из фанерных листов толщиной 3 мм с промежутком 5 см, заполненным шлаковатой 55,0 12,0 29,0
Перегородка двойная из фанерных листов толщиной 3 мм с промежутком 6,5 см, заполненным шлаковатой 70,0 14,0 34,0
Гипсовые пустотелые камни толщиной 1 см с двумя стенками толщиной по 1,5 см и промежутком 8 см с засыпкой шлаком 110,0 117,0 41,0
Перекрытия:
Несущая сплошная железобетонная панель 140,0 336,0 50,0
С конструкцией пола: линолеум на войлочной основе 3,0
Несущие железобетонные плиты с круглыми пустотами с конструкцией пола: 220,0 376,0 52,3
паркетная клепка 15,0
цементная песчаная наливная стяжка 40,0
пергамин в один слой
песок 40,0
Несущие железобетонные плиты с круглыми пустотами с конструкцией пола: 220,0 290,0 54,0
паркетные доски 16,0
лаги 40,0
ленточные прокладки из изоляционных ДВП 25,0
Окна:
Одинарное остекление без уплотнительных прокладок 3,0 - 22,0
Одинарное остекление без уплотнительных прокладок 4,0 - 26,0
Одинарное остекление без уплотнительных прокладок 6,0 - 26,0
Двойное остекление, расстояние между стеклами 57 мм, без звукопоглощающего материала (нар./внутр.) 3,0/3,0 - 32,0
Двойное остекление, расстояние между стеклами 57 мм, со звукопоглощающим материалом (нар./внутр.) 3,0/3,0 - 42,0
Двойное остекление, расстояние между стеклами 90 мм, без звукопоглощающего материала 3,0/3,0 - 38,0
Двойное остекление, расстояние между стеклами 90 мм, со звукопоглощающим материалом 3,0/3,0 - 43,0
Двойное остекление, расстояние между стеклами 57 мм, без звукопоглощающего материала 4,0/4,0 - 38,0
Двойное остекление, расстояние между стеклами 57 мм, со звукопоглощающим материалом 4,0/4,0 - 41,0
Двойное остекление, расстояние между стеклами 90 мм, без звукопоглощающего материала 4,0/4,0 - 41,0
Двойное остекление, расстояние между стеклами 57 мм, без звукопоглощающего материала 6,0/3,0 - 35,0
Двойное остекление, расстояние между стеклами 90 мм, без звукопоглощающего материала 6,0/3,0 - 37,0
Двойное остекление, расстояние между стеклами 38 мм, без звукопоглощающего материала 6,0/6,0 - 40,0
Двойное остекление, расстояние между стеклами 190 мм, без звукопоглощающего материала 6,0/6,0 - 45,0
Двойное остекление, расстояние между стеклами 400 мм, без звукопоглощающего материала 6,0/6,0 - 48,0
Двери:
Дверь обычного типа с филенкой из 2,5 см досок (с двумя панелями) с обвязкой толщиной 4,5 см:
без уплотняющих прокладок - - 18,0
с уплотняющими прокладками - - 23,0
Дверь обычного типа с филенкой из 2,5 см досок (с двумя панелями) с обвязкой толщиной 2,5 см из 3 мм фанеры без уплотняющих плокладок - - 10,0
То же, оклеенная фанерой размером 90х200 см без уплотняющих прокладок - - 22,0
Глухая щитовая дверь, толщиной 40 мм, облицованная с двух сторон фанерой, толщиной 4 мм:
Без уплотняющих прокладок - - 24,0
С уплотняющими прокладками - - 32,0
Щитовая дверь из твердых древесноволокнистых плит толщиной 4-6 мм с воздушным зазором 50 мм, заполненным стекловатой:
Без уплотняющих прокладок - - 30,0
С уплотняющими прокладками - - 33,0
Щитовая дверь из твердых древесноволокнистых плит толщиной 4-6 мм с воздушным зазором 50 мм, заполненным минеральный войлоком:
Без уплотняющих прокладок - - 28,0
С уплотняющими прокладками - - 32,0
Тяжелая дубовая дверь размером 90х210 см, плотно пригнанная - - 25,0
Металлическая дверь (герметичная) - - 30,0

Пример проведения оценки

Однородная перегородка

Рассмотрим возможность утечки речевых сообщений из исследуемого кабинета через ограждающую конструкцию, представляющую собой гипсолитовую плиту толщиной 80 мм с коэффициентом звукоизоляции, равным 39,7 дБ в диапазоне частот 500…1000 Гц (табл. 7). В смежном помещении, предназначенном для умственной работы и не имеющем собственных источников шума, работают несколько человек.

По формуле (5) определяем:

где - уровень речевого сигнала за звукоизолирующей перегородкой;
- уровень речевого сигнала в контролируемом помещении (значение L1 в октавных полосах будем определять исходя из суммарного уровня речи 71 дБ);
= 39,7 дБ - звукоизолирующая способность гипсолитовой плиты для частот 500…1000 Гц, приводимая в табл. 7.

Так как смежное помещение предназначено для умственной работы, значит, уровни шумов в нём в октавных полосах не должны превышать уровней, соответствующих ПС-45 (табл. 1). Учитывая, что санитарные нормы ограничивают максимальный уровень шумов, то для более точной оценки шума в помещении возьмём предыдущий (ПС-40) предельный спектр.

В соответствии с данными табл. 1 имеем:

  • на частоте 1000 Гц Lр = 61,5 дБ, Lш = 40 дБ;
  • на частоте 250 Гц Lр = 67,9 дБ, Lш = 49 дБ;
  • на частоте 6000 Гц Lр = 48,5 дБ, Lш = 33 дБ.

Тогда в октавной полосе со среднегеометрической частотой 1000 Гц уровень речи в смежном помещении будет определяться из выражения:

дБ

На частотах 100…500 Гц коэффициент звукоизоляции ограждающих конструкций примерно на 6 дБ ниже, поэтому будет равно:

дБ

На частотах более 4000 Гц коэффициент звукоизоляции ограждающих конструкций примерно на 6 дБ ниже, поэтому будет равно:

дБ

Так как уровень ощущения формант определяется из выражения:

,

то:

  • на частоте 1000 Гц дБ;
  • на частоте 250 Гц дБ;
  • на частоте 6000 Гц дБ.

В соответствии с данными табл. 6, для того, чтобы речь была не слышна:

  • на частоте 1000 Гц должно быть – 10 дБ (имеем минус 12,2 дБ);
  • на частоте 250 Гц должно быть – 12 дБ (имеем минус 8,8 дБ);
  • на частоте 6000 Гц должно быть – 12 дБ (имеем минус 24,1 дБ);

На основании полученных результатов, а также с учётом того, что вклад в разборчивость речи в октавной полосе со среднегеометрической частотой 250 Гц (табл. 6) составляет всего 6,7% (при минимальной суммарной разборчивости 15%), можно утверждать, что в смежном кабинете смысл речевого сообщения разобрать невозможно.

Неоднородная перегородка

Пусть в том же исследуемом кабинете имеется:

  • одно окно с двойным остеклением и расстоянием между стёклами 57 мм без звукопоглощающего материала с толщиной стекла 3 мм и коэффициентом звукоизоляции = 32 дБ (табл. 7);
  • площадь окна составляет 20% от площади всей железобетонной панели толщиной 300 мм и коэффициентом звукоизоляции дБ (табл. 7), окно выходит в шумный двор;
  • дверь с филенкой из 2,5 см сосновых досок (с двумя панелями) с обвязкой толщиной 4,5 см без уплотняющих прокладок с коэффициентом звукоизоляции дБ (табл. 7);
  • площадь двери составляет 16,7% от площади всей гипсолитовой плиты толщиной 80 мм и коэффициентом звукоизоляции дБ (табл. 7), дверь выходит в коридор.

По формуле (5) определяем:

где определяется из выражения (4).

Подставив соответствующие значения, получим:

  • для стены с окном дБ (уменьшение звукоизоляции стены составило 17,6 дБ);
  • для стены с дверью дБ (уменьшение звукоизоляции стены составило 14 дБ).

В соответствии с выражением (5) определим уровни речевого сигнала за окном и за дверью :

дБ - за окном;
дБ - за дверью в коридоре;

Так как окно выходит в шумный двор, то для определения шума подходят уровни, соответствующие ПС-50, которые также подходят и для коридора. Однако при расчётах, чтобы не завысить уровень шума, будем использовать значения предыдущего (ПС-45) предельного спектра.

Тогда на среднегеометрической частоте 1000 Гц:

дБ - за окном;
дБ - за дверью.

В соответствии с данными табл. 6:

  • за окном смысл речевого сообщения разобрать невозможно;
  • за дверью слышимость отличная.

Программа “Оценка акустической защищённости помещения”

Рис 1.

Данная программа позволит автоматизировать процедуру оценки акустической защищённости помещения с использованием вышеописанной методики на основе формантной разборчивости. Отличительная особенность программы - возможность работы, как с табличными значениями расчётных параметров, так и с любыми другими, задаваемыми вручную. Таким образом, программу можно применять в купе с инструментальными средствами, которыми производится замер расчётных уровней речи, шума и звукоизоляции конструкций.

Программа состоит из одного рабочего окна, в котором сосредоточены все настройки. Порядок работы с программой такой же, как порядок проведения методики. В начале необходимо задать уровень речи в контролируемом помещении на одноименной панели или использовать стандартный уровень. Далее необходимо задать коэффициент звукопоглощения однородной части перегородки (глухая часть стены). Сделать выбор можно 4-мя способами: воспользоваться одним из табличных значений, заложенным в программу (пункт “Материал”). Если известна поверхностная плотность перегородки, можно воспользоваться пунктами “Монолитная перегородка” или “Двойная перегородка” для однослойной или двойной перегородки соответственно. И, наконец, можно вручную указать значение коэффициента (пункт “Точное значение”). Все значения полей могут быть только целочисленными, плотность указывается в кг/м2, а расстояние между поверхностями двойной перегородки в мм. Точное значение коэффициента звукопоглощения в децибелах (дБ).

В случае если производится оценка однородной перегородки следующим этапом необходимо задать уровень шума на вкладке “Уровень шума вне контролируемого помещения”. Можно выбрать один из предельных спектров шума, определяемых санитарными нормами для помещения (пункт “Предельный спектр”) или задать значения для каждой из среднеоктавной частоты вручную (пункт “Ручная настройка”). Значения также должны быть целочисленными. Уровень шума необходимо брать с заниженными значениями. В случае с предельным спектром нужно взять предыдущий спектр, а в случае ручного выбора нужно занизить каждое из значений на 5 дБ. Занижение уровня шума необходимо для более точной оценки, таким образом, реализуется запас по акустической защищённости.

Кнопка “Расчёт” инициализирует процесс вычисления уровня речи вне контролируемого помещения. Программа вычисляет значения по всем 6 среднеоктавным частотам. После расчёта каждое из полей принимает определённый цвет:

  • зелёный, если полученное значение совпадает с минимально необходимым или даже ниже его;
  • жёлтый, если полученное значение имеет небольшое (не критичное) отклонение от необходимого значения. Уровень отклонения задаётся в зависимости от процентного вклада в разборчивость данной частоты;
  • красный, если отклонение от необходимого значения слишком велико (критично).

После этого пользователю остаётся сделать заключение о возможности разобрать речь вне контролируемого помещения. Если количество жёлтых и зелёных полей преобладает над числом красных, особенно если красные поля не попадают в поля 1000Гц, 2000Гц, 4000Гц, то можно сделать заключение что речь разобрать невозможно. Если же количество красных полей достаточно велико, и некоторые попадают в критичные поля 1000Гц, 2000Гц, 4000Гц, то слышимость будет достаточна для понимания речи говорящих.

В случае оценки неоднородной перегородки (стены с окном или дверью) нужно также отметить пункт “Имеется неоднородная перегородка”. И на панели “Коэффициент звукопоглощения неоднородной перегородки” выбрать необходимое значение Qпер. Выбор осуществляется теми же способами что и для однородной перегородки (глухой части стены). Кроме этого необходимо указать площадь неоднородной части по отношению к общей части стены (в процентах). После этого можно произвести расчёт.

В окне программы имеется также кнопка “Сброс” возвращающая всем полям значения по умолчанию и кнопка “О программе” содержащая сведения о разработчике программы и её версии.

Общие рекомендации по защите акустического канала

Изложенная выше методика может найти практическое применение при оценке акустической защищенности как уже имеющихся, так и строящихся помещений. При расчетах необходимо использовать формулы (1-5), а также данные таблиц 1-7 или воспользоваться программой “Оценка акустической защищённости помещений”. Применительно к вышеописанному кабинету, для исключения слышимости за дверью необходимо установить двойные двери с воздушной прослойкой между ними, выполнив их уплотнение.

При строительстве для улучшения звукоизолирующих свойств перегородок, необходимо делать их слоистыми, подбирая материалы слоев с резко отличающимися акустическими сопротивлениями (бетон - поролон), а также массивными для уменьшения мембранного переноса. Двери делают двойными с воздушной прослойкой между ними и уплотняющими прокладками. Окна выполняются с двойным остеклением с применением звукопоглощающего материала и увеличением расстояния между стеклами для повышения звукоизоляции.

Вентиляционные отверстия во время ведения конфиденциальных разговоров необходимо перекрывать звукоизолирующими заслонками, изготовленными из материалов с различными акустическими сопротивлениями, стремясь достичь при этом коэффициента звукоизоляции глухой стены. Особое внимание при определении акустической защищенности необходимо уделить правильному выбору уровня шума за ограждающими конструкциями, так как его завышение может привести к неправильным результатам оценки защищенности.

Список литературы

  1. Справочник “Акустика”, 1989г.
  2. Вахитов Я. Ш. “Теоретические основы электроакустики и электроакустическая аппаратура”, 1982г.
  3. Заборов В. И., Лалаев Э. М., Никольский В. Н. “Звукоизоляция в жилых и общественных зданиях”, 1979.
  4. Калинцев Ю. К. “Разборчивость речи в цифровых вокодерах”, 1991г.
  5. Сапожков А. А. “Звукофикация помещений”, 1979г.
  6. Ирина Алдошина “Субъективные и объективные методы оценки разборчивости речи”, 2002г.
  7. Хорев А. А. “Технические каналы утечки информации”.
  8. Волобуев С. В. “Оценка акустической защищённости без применения инструментальных средств”, 1999г.

Примечания

  1. * ПС-35 - для сна и отдыха; ПС-45 - для умственной работы без собственных шумов; ПС-50 - для речевой и телефонной связи; ПС-55 - для конторского труда и цеховой администрации.