Все по ФОЗИ / Вопросы №2,3

Экзаменационный билет №1

2

Основы акустики. Основные понятия: звуковое колебание, звуковое поле, звуковой луч.

Звук распространяется в виде переменного возмущения упругой среды, т.е. в виде звуковых волн.

Звуковые колебания – колебательные движения частиц среды под действием этого возмущения.

Пространство, в котором происходит распространение этих волн, - звуковое поле. Если источник возмущения известен, то пространство, в котором могут быть обнаружены звуковые колебания, создаваемые этим источником называется звуковым полем данного источника звука.

Звуковые колебания являются частным случаем механических колебаний. Они распространяются в воздухе, в твердых телах и в воде.

Звуковые колебания в жидкой и газообразной средах – продольные (частицы среды колеблются вдоль линии распространения волны), в твердых телах – поперечные (частицы среды колеблются в направлениях, перпендикулярных линии распространения волны) и продольные.

Направление распространения звуковой волны – звуковой луч.

Поверхность, соединяющая все смежные точки поля с одинаковой фазой колебаний частиц среды, называется фронтом волны. Фронт перпендикулярен звуковому лучу.

Фронт имеет сложную форму, но в расчетах ограничиваются рассмотрением 3-х видов фронтов: плоский, сферический и цилиндрический.

Звуковые волны распространяются с определенной скоростью, называемой скоростью звука. В различных средах скорость звука различна.

В газе скорость звука зависит от плотности среды и статического атмосферного давления:

- коэффициент адиабаты.

Для газов , для воздуха 1,402 при нормальных условиях.

В жидких и твердых материалах скорость звука определяется плотностью материала и модулем упругости (модуль Юнга):

; E – модуль упругости.

Для колебаний с периодом Т длина звуковой волны равна:

λ=сТ

Частоты акустических колебаний изменяются в пределах 20 Гц – 20 кГц и называются звуковыми. Меньше 20 Гц – инфразвук, больше 20 кГц – ультразвук.

Звуковые частоты делятся на низкие, средние и высокие. Примерная граница между низкими и средними составляет 200 – 500 Гц, а между высокими и средними 2 – 5 кГц.

Длина волны для частот 30-10000 Гц при нормальных условиях и скорости звука, равной 343 м/с, находится в пределах от 3,43 см до 11,4 м.

3

Основные сведения о линиях передачи. Основные требования к линиям передачи. Симметричная двухпроводная линия, коаксиальный кабель.

ЛП предназначены для передачи э/м энергии от источника к потребителю (фидерные устройства), напряжение от генератора ВЧ энергии к передающей антенне или от приемной к приемнику.

К фидерным устройствам предъявляют следующие основные требования:

1) отсутствие излучения э/м энергии

2) передача с минимальными потерями

3) наличие режима бегущих волн

4) высокое пробивное напряжение

5) удобство эксплуатации.

ЛП могут быть открытыми и закрытыми. Существует большое число конструкций фидерных линий. Выбор зависит от назначения, диапазона частот и передаваемой мощности.

Простейшим типом открытых линий является симметричная двухпроводная линия. Она слабо излучает э/м волны при условии, что расстояние между проводами много меньше длины волны. Чем больше передаваемая мощность, тем выше напряжение между проводами. Максимально допустимое напряжение должно быть меньше пробивного. Выбор диаметра проводов зависит от требуемого волнового сопротивления, которое для линий такого вида 300–800 Ом.

На работу открытых линий заметное влияние оказывают климатические условия. Большая влажность или обледенение вызывают увеличение потерь в несколько раз.

В закрытых линиях э/м поле полностью изолировано от окружающей среды. Наибольшее распространение из закрытых ЛП получил коаксиальный кабель. В нем один провод, покрытый диэлектриком, помещен внутри другого, выполненного из гибкой металлической оплетки.

Наибольшие потери имеют коаксиальные кабели, внутренний провод которых покрыт чешуйчатыми керамическими изоляторами или диэлектрическими шайбами, расположенными на некотором расстоянии друг от друга. Внешний провод кабеля может быть заземлен. Длина э/м волны в коаксиальном кабеле не зависит от поперечных размеров кабеля. Волновое сопротивление стандартных кабелей от 35 до 150 Ом. С увеличением частоты в двухпроводных линиях возникают потери на излучение в изоляторах: в коаксиальном кабеле при этом резко увеличиваются потери в диэлектриках.

На волнах 10-тисантиметрового диапазона и короче потери так велики, что применение коаксиальных кабелей становится нецелесообразным. В сантиметровых и миллиметровых диапазонах широко применяются волноводы.

Волноводы – это полые металлические трубы прямоугольного, круглого или П-образного сечения, а в оптическом диапазоне – диэлектрические волноводы.

Распространение радиоволн в волноводе возможно лишь при определенных соотношениях между длиной волны и геометрическими размерами волновода.

Рассматривая картину распространения токов при переходе от двухпроводной линии к волноводу, можно установить, что в волноводе существуют продольные и поперечные токи. В волноводе по внутренним поверхностям вдоль широких стенок будут распространяться волны продольного тока, а поперек стенок установятся стоячие волны поперечного тока.

Скорость распространения энергии не может быть больше скорости света.

Экзаменационный билет №2

2

Линейные характеристики звукового поля

К линейным хар-кам относятся звуковое давление, смещение частиц среды, скорость колебаний и акустическое сопротивление среды.

Звуковое давление – разность между мгновенным значением давления в точке среды при прохождении через нее звуковой волной и статическим давлением в той же точке.

Р = Р_ам - Р_ас

Звуковое давление – величина знакопеременная. В момент уплотнения частиц среды P>0, в момент расширения P<0.

Звуковое давление оценивают по амплитуде или эффективному значению.

Р = F/S [Н/м²], [Па], [10 дин/см²]

10⁶ дин/см² = 1 бар

Смещение – отклонение частицы среды от их статического положения под действием проходящей звуковой волны.

Если смещение происходит по направлению движения звуковой волны, то к смещению приписывают знак «+», иначе «-».

Скорость колебания – скорость движения частиц среды под действием проходящей звуковой волны:

V = dU/dt (U – смещение)

Удельное акустическое сопротивление – отношение звукового давления к скорости колебания частиц среды (является комплексной величиной):

δ = P/V ;

Оно определяется свойствами среды и материала и условиями распространения волны.

3

Объемные резонаторы

Колебательные контура с сосредоточенными параметрами, а также в виде отрезков длинных линий используются в дециметровом и более длинноволновых диапазонах. На волнах, короче дециметровых, они имеют низкую добротность из-за значительных потерь энергии в проводах, изоляторах и на излучение.

Колебательными системами, свободными от указанных недостатков в сантиметровом и миллиметровом диапазонах волн являются закрытые объемные резонаторы.

Закрытые объемные резонаторы представляют собой часть пространства, ограниченного хорошо проводящей поверхностью. В полости объемного резонатора могут иметь место э/м колебания с резко выраженными резонансными свойствами. Они могут быть в виде прямоугольного параллелепипеда, цилиндра или тора.

Э/м поле в нем приобретает характер стоячих волн. Вся энергия, запасенная в резонаторе в некоторый Момент времени переходит в энергию электрического поля, а через четверть периода – в энергию магнитного поля и обратно.

Экзаменационный билет №3

2

Энергетические характеристики звукового поля

1) Интенсивность звука (сила звука) – кол-во энергии, проходящей в единицу времени через единицу площади, перпендикулярной направлению распространения волны:

I [Вт/м²]

Если мы имеем ввиду мгновенные значения давления или скорости колебания, то для периодических процессов интенсивность звука равна:

Для синусоидальных колебаний интенсивность звука связана со звуковым давлением и скоростью колебаний следующим соотношением:

δ = P/V – акустическое сопротивление

δ = ω_a + iq

где Р_m ,V_m – амплитуды звукового давления и скорости колебания

Р_э, V_э – эффективные значения

- сдвиг фаз между звуковым давлением и скоростью колебаний, причем:

2) Плотность энергии – кол-во звуковой энергии, находящейся в единице объема:

[Дж/м³]

3

Антенны. Основные физические параметры: ДНА, КНД

Устройства, предназначенные для излучения или приема э/м волн, называют антеннами. Антенны разделяют на передающие и приемные. Антенна обладает свойством обратимости, согласно которому одна и та же антенна может как излучать, так и принимать э/м волны. Основные параметры антенны в режиме излучения сохраняются и в режиме приема электромагнитных волн. Конструкция антенны зависит от диапазона волн, желаемой направленности излучения, величины излучаемой мощности и места установки.

Рассмотрим основные физические параметры антенны. Введение этих параметров позволяет сравнивать различные типы антенн, судить о пригодности антенны для решения той или иной задачи, устанавливать соответствие антенны предъявляемым к ней требованиям.

Физические параметры:

1. Мощность и сопротивление излучения антенны

2. КПД

3. Диаграмма направленности антенны (ДНА)

4. Коэффициент направленного действия (КНД)

5. Коэффициент усиления (КУ)

6. Действующая длина антенны (ДДА)

Диаграммы направленности

Кол-во энергии, излучаемое антенной в единицу телесного угла, неодинаково. О направленности излучения антенны судят по ее диаграмме направленности (ДНА).

Различают ДНА по полю и по мощности.

ДНА по полю – это графическое выражение зависимости напряженности электрического поля, которое создается в равноудаленных от антенны точках зоны, от направления излучения. В пространстве эту зависимость представить сложно, поэтому обычно строят не пространственную ДНА, а ее сечение двумя взаимно ортогональными плоскостями. Одну из этих плоскостей совмещают с вектором Е и называют Е-плоскостью, а вторую плоскость совмещают с вектором Н и называют Н-плоскостью.

Дальняя зона излучения для одной антенны является ближней для другой. Дальняя зона излучения антенны определяется условием, при котором расстояние от антенны до точки наблюдения находится:

R >> (2Д²)/λ

где Д - наибольший размер излучающего раскрыва антенны.

Если выполнено это условие, то можно считать, что все идущие от антенны к точке наблюдения радиолучи параллельны.

Пространственная ДНА имеет форму тора.

Коэффициент направленного действия.

КНД антенны – это числовая характеристика степени концентрации энергии в пространстве.

КНД – число, показывающее, во сколько раз нужно увеличить мощность излучения при переходе от направленной антенны к ненаправленной при условии, что они имеют одинаковые КПД и создают равные направленности полей в одной и той же точке приема.

Максимальная величина КНД достигает значения нескольких единиц у слабо направленных и нескольких десятков и даже сотен тысяч у антенн с узкой ДНА (например, РЛС космической связи).

Экзаменационный билет №4

2

Частотные диапазоны спектра акустического сигнала

Акустический сигналы от каждого из первичных источников звука, используемых в системах вещания, связи, как правило имеют непрерывно изменяющиеся форму и спектры. Эти спектры могут быть дискретными, сплошными и смешанными.

Дискретные спектры могут быть гармоническими, т.е. представлять спектр сложного тона, и тональными, т. е. представляющими суммарный спектр ряда сложных тонов, различающихся по частоте. Сигнал с гармоническим спектром может быть представлен в виде ряда Фурье следующим образом:

где Т – период колебаний

ω₁ – угловая частота колебаний первой гармоники

k – целые числа

В вещественной форме ряд Фурье имеет вид:

Спектр тонального сигнала с некратными частотами имеет вид:

Для сплошного спектра сигнал имеет вид:

где - плотность сигнала по амплитуде.

На практике часто приходится иметь дело с энергетическим спектром сигнала. Под ним понимается огибающая квадратичных значений амплитуд частотных составляющих сигнала (для дискретных спектров) или плотность спектра квадрата амплитуд (для сплошных спектров).

В последнем случае энергетический спектр (для сплошных сигналов) будет представлять собой спектральную плотность по интенсивности:

Спектральной плотностью называют интенсивность звука в полосе частот шириной в единицу частоты. У каждого источника звука спектры имеют индивидуальные черты, что придает звучанию этих источников характерную окраску, которую называют тембром.

3

Антенны. Предназначение, основные физические параметры: мощность, сопротивление излучения, КПД.

Устройства, предназначенные для излучения или приема э/м волн, называют антеннами. Антенны разделяют на передающие и приемные. Антенна обладает свойством обратимости, согласно которому одна и та же антенна может как излучать, так и принимать э/м волны. Основные параметры антенны в режиме излучения сохраняются и в режиме приема электромагнитных волн. Конструкция антенны зависит от диапазона волн, желаемой направленности излучения, величины излучаемой мощности и места установки.

Рассмотрим основные физические параметры антенны. Введение этих параметров позволяет сравнивать различные типы антенн, судить о пригодности антенны для решения той или иной задачи, устанавливать соответствие антенны предъявляемым к ней требованиям.

Физические параметры:

1. Мощность и сопротивление излучения антенны

2. КПД

3. Диаграмма направленности антенны (ДНА)

4. Коэффициент направленного действия (КНД)

5. Коэффициент усиления (КУ)

6. Действующая длина антенны (ДДА)

Мощностью излучения (Р_ε) называется среднее количество э/м энергии, излучаемое антенной в единицу времени.

Полная мощность (Р), потребляемая антенной от источника, складывается из мощности потерь (Р_П) и мощности излучения:

Р = Р_ε + Р_п

Мощность потерь является следствием конечной проводимости проводников антенны, несовершенства диэлектриков, потерь мощности в окружающих предметах.

Если известна амплитуда токов на клеммах антенны, т.е. в местах соединения антенны с линией передач. Каждую из составляющих мощности можно представить в виде:

Сопротивление излучения антенны равно такому активному сопротивлению, на котором при токе, равном току на клеммах, рассеивается мощность, равная мощности излучения. Величина сопротивления излучения зависит от характера распространения тока вдоль провода антенны, от соотношения длины излучающего провода и длиной изучаемой э/м волны.

Так все полуволновые вибраторы (антенны) имеют сопротивление излучения R_Σ=73,1 Ом. Вибраторы с длиной в 1 волну имеют сопротивление 210 Ом. В общем случае сопротивление излучения антенны является комплексной величиной, мнимая часть которой определяет реактивную мощность излучения, локализованную в ближней зоне антенны.

КПД.

Антенна преобразует энергию источника э/м колебаний в энергию э/м волн. КПД этого преобразователя определяется по формуле:

η = Р_ε/Р = Р_ε/( Р_ε+Р_П) = 1/(1 + Р_П/ Р_ε)

Таким образом КПД тем больше, чем больше сопротивление излучения по сравнению с сопротивлением волновых потерь. Величина КПД антенны для полуволнового вибратора равна 0,9.

Экзаменационный билет №6

2

Физические основы вокодерной связи.

Вокодер – устройство, в передающей части которого из речевого сигнала выделяются параметры, определяющие информативность речи. К этим параметрам относятся: спектральная огибающая звуков речи и параметры основного тона, т.е. произношение звуков речи, медленно изменяющихся во времени.

Параметры основного тона управляют частотой генератора основного тона, находящегося в приемной части вокодера. Напряжение от генератора, создающего импульсы, сходные с импульсами гортани, подается на сложный фильтр, имитирующий акустическую систему речевого тракта для звонких звуков. При синтезе глухих звуков речи генератор создает шумовое напряжение, подаваемое на фильтры, имитирующие систему речевого тракта для глухих звуков.

Параметрами этих фильтров и уровнем звуковой речи управляют характеристики, выделенные из речи на передающем конце вокодера. В результате восстанавливается спектральная огибающая речевого сигнала. Качество и разборчивость восстановленного сигнала высокие.

В зависимости от типа выделяемых параметров сигналы различают полосные, гармонические, формантные и фонемные вокодеры.

В полосных выделяется комплекс ординат спектра в узких полосках. В гармонических – коэффициент Фурье от разложения спектральной огибающей в функцию гармоник. В формантных выделяются частоты и амплитуды формант. В фонемных – произнесенный звук.

Кроме того в каждом из типов вокодеров выделяется частота основного тона голоса.

Применение вокодеров дает повышение разборчивости речи в условиях радио-помех, т.к. сигналы передаются в телеграфном режиме со специальным помехоустойчивым кодированием.

Речь, передаваемая с помощью вокодеров идет с высоким уровнем и высокой разборчивостью даже при наличии сильных помех. Кроме того, импульсная форма сигнала дает возможность засекречивания речи. Такую закодированную речь невозможно раскодировать современными методами. Кроме того, вокодерная связь дает возможность значительного увеличения числа каналов в импульсных системах связи.

Для обычного речевого сигнала требуется пропускная способность 64 кБит/с, что в 25 раз больше пропускной способности, которая требуется для формантного вокодера.

Вокодерную связь применяют с 1959г. в военной авиации для коротковолновой связи. В настоящее время выпускают такую аппаратуру для коммерческой телефонной связи. Разработаны и выполняются вокодеры на информационных системах с цифровыми методами анализа.

3

Уравнения Максвелла для электромагнитных волн в векторной форме

Итак, электромагнитное поле образуется вокруг антенны и распространяется на большие расстояния. Электромагнитная волна представляет собой три вектора: вектор Умова-Пойнтинга (P или S, показывает направление распространения волны), вектор напряженности электрического поля (Е) и вектор напряженности магнитного поля (Н).

Закон Гаусса:

Е = ΔФ_ε/ΔS

где ΔФ_ε – полное число линий электрического поля

ΔS – площадь поверхности

В = ΔФ_В/ΔS

Закон Фарадея:

Закон Ампера:

Электромагнитное поле может существовать при отсутствии каких-либо зарядов. Оно существует в пустоте в отсутствие электрических зарядов, в вакууме.

Электромагнитная волна – это распространяющееся в пространстве электромагнитное поле. Эти поля обязательно являются переменными.

Е[B/м], Н[А/м]

Векторная форма представления уравнений Максвелла:

1)

2)

Силовые линии магнитного поля замкнуты:

3)

Переменное электрическое поле порождает в пространстве переменное магнитное поле.

4)

Силовые линии электрического поля электромагнитной волны замкнутые.

Экзаменационный билет №7

2

Лазерные системы негласного съема информации.

Система негласного съема информации. В подавляющем числе случаев получение этой информации сопряжено с риском обнаружения при доставке или размещении аппаратуры съема. Поэтому удобно проводить дистанционный съем информации, когда все предназначенное для этого оборудование размещается вне охраняемых зон или территорий частных владений. Практически полностью удовлетворяют этим требованиям лазерные системы дистанционного измерения акустических колебаний диэлектрических поверхностей.

Эта технология используется для несанкционированного акустического контроля помещений, имеющих внешние диэлектрические поверхности, т.е. стеклянные окна, а также для определения качества прозрачных покрытий, стекол, высокоточных оптических приборов при их производстве и эксплуатации.

Схема процесса измерения акустического сигнала представляет собой следующую последовательность операций:

1) излучение когерентного сигнала в направлении диэлектрической поверхности, находящейся вблизи источника акустического сигнала (до 500м)

2) формирование диаграммы отражения и изменение ее формы и положения в пространстве в соответствии с распределением микродеформаций на отражающую поверхность при помощи адаптивной приемной и передающей оптических систем

3) прием отраженного оптического сигнала и выделение из него модуляционных составляющих, обусловленных неравномерностью отражения при наличии деформаций. Эти системы могут применять для несанкционированного прослушивания сигналов. Основная сложность проведения съема информации в таких условиях – это необходимость точной временной санкции для восстановления искаженного отраженного сигнала.

3

Поле вторичного излучения.

Первичная падающая радиоволна наводит на поверхности цели токи проводимости (если цель – проводник, в диэлектрике – токи смещения). Эти токи являются источником вторичного излучения в разных направлениях. Рассеивается лишь часть энергии, остальная обращается в тепло. Особый интерес представляют отражения в сторону РЛС. Для ограниченного числа тел сравнительно простой формы (полуволновой вибратор, шар, металлический лист) возможен электродинамический расчет поля вторичного излучения, однако большинство реальных целей имеет сложную форму, поэтому поле их вторичного излучения описывается статически.

К сосредоточенным относятся цели, размеры которых заметно меньше размеров разрешающего участка РЛС (летательные аппараты, корабли, автомобили); одиночные точечный цели практически не изменяют форму отраженного сигнала.

К распределенным целям относятся земная, водная поверхности, облака, туман. Обычно имеется сильная зависимость от площади проекции тела на площадь, перпендикулярную направлению на РЛС. Отражающие свойства сильно зависят от конфигурации, длины волны РЛС, поляризации материала, направления излучения. Чаще всего интересуются интенсивностью вторичного излучения в дальней зоне. Для характеристики отражающих свойств цели пользуются обобщенной величиной, учитывающей совокупность указанных выше параметров или факторов. Называется она ЭОП цели.

ЭОП – это площадь некоторой эффективной поверхности, плоской, расположенной нормально к направлению падающей плоской волне, являющаяся идеальным переизлучателем, которая будучи помещена в точку цели, создает у антенны РЛС ту же плотность потока мощности, что и реальная цель.

Экзаменационный билет №10

2

Основные свойства слуха. Уровень ощущения.

Для правильного проектирования и эксплуатации систем связи, записи и воспроизведении звука, необходимо знать свойства слуха человека. Орган слуха человека является своеобразным приемником звука, резко отличающихся от приемников звука, создаваемых человеком. Ухо человека обладает свойствами частотного анализатора с дискретным восприятием по частотному и динамическому диапазонам. Все эти операции осуществляются во внутреннем ухе, в так называемой улитке.

В улитке находится основная мембрана, которая состоит из большого числа волокон, слабо связанных между собой. Вдоль основной мембраны расположены нервные окончания, каждая из которых возбуждается от прикосновения к ним волокон основной мембраны (этих окончаний > 2000), посылая в слуховой центр мозга электрические импульсы. Эти импульсы подвергаются сложному анализу, в результате которого человек определяет передаваемое сообщение.

При плавном увеличении интенсивности звука возле пороговой слуховые ощущения нарастают скачками по мере увеличения числа возбужденных нервных окончаний. Увеличение уровня интенсивности тона в конце концов приводит к появлению ощущения боли, наступает болевой порог, который на максимуме составляет по интенсивности 1 Вт/м², тогда как минимальный порог слышимости на частоте 3 кГц – 10^-13 Вт/м².

Т.об. динамический диапазон по уровню звука от порога слышимости до болевого порога составляет 130 дБ. Между болевым порогом и порогом слышимости имеется несколько сотен элементарных скачков ощущения, причем на низких и высоких частотах незначительно меньше, чем на средних.

Слуховые ощущения пропорциональны логарифму раздражающей силы:

где Е – уровень ощущения в дБ.

Вебер и Фехнер сформулировали закон ощущения звука: «Одинаковые относительные изменения раздражающей силы вызывают одинаковые приращения слухового ощущения».

Уровень ощущения представляет собой уровень над порогом слышимости, то есть относительный уровень:

где

3

Общие сведения об оптических квантовых генераторах

В начале 60-х годов были созданы источники света, получившие название оптических квантовых генераторов (лазеров).

В противоположность некогерентным источникам, э/м волны, зарождающиеся в разных частях лазера (удаленных друг от друга на макроскопические расстояния), оказываются когерентными между собой. Когерентность излучения проявляется практически во всех свойствах лазера.

Особенностью лазерного излучения является способность к концентрации энергии во времени, в пространстве, в направлении излучения, в спектре. Для нескольких лазеров характерна высокая монохроматичность излучения, т.е. лазерное излучение представляет собой электромагнитные волны какой-либо одной частоты.

В других лазерах используются очень короткий импульсы (10^-12 сек), поэтому мгновенная мощность такого излучения может быть очень большой.

Световой поток, выходящий из лазера, обладает очень высокой направленностью. Такое излучение можно сфокусировать на ничтожно малой площади и создать большую мощность.

Экзаменационный билет №12

2

Первичный речевой сигнал. Основные понятия: речь, фонема, период основного тона, частота основного тона, интонация.

Речь с физической точки зрения состоит из последовательностей звуков с паузами между ними или их группами. При нормальном темпе речи паузы появляются между отрывками фраз, так как при этом слова произносятся слитно. При замедленном темпе речи, при диктовке паузы могут делаться между словами и их частями.

Один и тот же звук речи каждый человек произносит по разному. Каждому свойственна своя манера произнесения звуков, но при всем разнообразии их произнесения, звуки являются физической реализацией ограниченного числа фонем.

Фонема – то, что человек хочет произнести, а звук – то, что фактически произносит.

В русском языке насчитывается 42 основных и 3 неопределенных фонемы. Звуки делятся на звонкие и глухие. Звонкие звуки образуются с участием голосовых связок, находящихся в напряженном состоянии. Импульсы потока воздуха, создаваемые голосовыми связками с достаточной степенью точности могут считаться периодическими. Соответствующий период повторения импульсов называется периодом основного тона T_o. Обратная величина называется частотой основного тона (f_o=1/T_o). Если связки тонкие и сильно напряжены, то период получается коротким, а частота – высокой.

Частота основного тона для всех голосов лежит в пределах: 70 – 450 Гц. При произнесении речи частота основного тона непрерывно изменяется в соответствии с ударением, подчеркиванием отдельных звуков и слов, а также при проявлении эмоций. Изменение частоты основного тона называется интонацией.

У каждого человека совой диапазон изменения основного тона. Обычно бывает немногим более октавы. Интонация имеет большое значение для узнаваемости говорящего. Основной тон, интонация и тембр голоса служат для опознавания человека, причем достоверность опознавания выше, чем при отпечатках пальцев. Это свойство используют для создания аппаратуры, срабатывающей только для определенного голоса.

Импульсы основного тона имеют пилообразную форму, и поэтому при их периодическом повторении получается дискретный спектр с большим числом гармоник (до 40) с частотами, кратными частотам основного тона. Огибающая спектра основного тона имеет спад в сторону высоких частот с крутизной около 6 дБ на октаву. Поэтому, например, для мужского голоса с частотой 3 кГц ниже уровня составляющих на 100 Гц примерно на 30 дБ.

При произнесении глухих звуков связки находятся в расслабленном состоянии и поток воздуха из легких свободно проходит в полость рта. Встречая на своем пути различные преграды, он образует завихрения, создающие шум со сплошным спектром.

Согласные по способу образования делятся на сонорные, щелевые (ж, з, в), взрывные (б, д, г), аффрикаты (комбинация глухих взрывных и щелевых).

3

Электромагнитные каналы утечки информации

Классификация технических каналов утечки, угрожающих безопасности информации в РЭС, программах и сетях:

Электромагнитные каналы утечки информации образуются основными излучениями РЭС. Кроме того, кроме работы РЭС происходит побочное излучение в боковых лепестках диаграммы направленности антенных систем. Эти излучения могут обеспечивать довольно высокую плотность потока мощности, могут оказаться доступными техническим средствам радио и радиотехнических разведок, располагающимся вне основной трассы распространения сигналов РЭС.

Нелинейные режимы работы усилителей мощности в передатчиках РЭС сопровождаются появлением в спектре излучения высших гармоник основной рабочей частоты f₀. Это излучение на частотах nf₀.

Каналы утечки информации образуются:

1. за счет перехвата сигналов, излучаемых антеннами в основных и боковых лепестках диаграммы направленности антенн.

2. различные технические средства, работающие с токами, высокочастотными полями, а также различного рода цепи, расположенные в непосредственной близости от этих средств, могут обладать антенным эффектом, т.е. непосредственно излучать электромагнитные волны.

3. сосредоточенные антенны образуются неплотными стыками электромагнитных экранов и линий, канализирующих (передающих) энергию СВЧ, технологическими проемами в стенах экранированных помещений, окнами, отверстиями в металлических кожухах приборов.

4. к распределенным случайным антеннам относятся различного рода кабели, провода систем сигнализации, радиотрансляционные сети, трубы и металлические конструкции.

5. работы РЭС сопровождают побочные электромагнитные излучения, которые переносят информативные сигналы. Побочные электромагнитные излучения создаются также системами, не рассчитанными на работу с излучениями.

Экзаменационный билет №13

2

Первичный речевой сигнал. Основные понятия: артикуляция органов речи, форманты/антиформанты, модуляция речевым сигналом.

При произнесении звуков речи речевой аппарат, голосовые связки, челюсть должны находиться для каждой фонемы в строгом направлении и движении при произношении. Эти движения называют артикуляцией органов речи. При артикуляции в речеобразующем тракте создаются резонансные полости, определенные для каждой фонемы. При произнесении звуков речи через речевой тракт проходит или тональный импульсный сигнал, или шумовой, или оба вместе.

Речевой тракт представляет собой сложный акустический фильтр с рядом резонансов, создаваемых полостями рта, носа, носоглотки, т.е. с помощью артикуляционных органов речи. Вследствие этого равномерный, тональный или шумовой спектр превращается в спектр с рядом максимумов (формант) и минимумов (антиформант).

Для каждой фонемы огибающая спектра имеет индивидуальную и вполне определенную форму. При произнесении речи спектр ее непрерывно изменяется и образуются формантные переходы.

Частотный диапазон речи: от 70 до 7000 Гц. Звонкие звуки речи, особенно гласные, имеют высокий уровень интенсивности. Глухие согласные – самый низкий уровень интенсивности. При произнесении речи громкость ее непрерывно изменяется. Гласные звуки имеют длительность 0,15 сек. Согласные – 0,08 сек.

Звуки речи неодинаково информативны. Гласные звуки – малоинформативные, а глухие согласные – наиболее информативны. Разборчивость речи снижается при действии шумов в первую очередь из-за маскировки глухих звуков.

Образование звуков речи происходит путем передачи команд мускульным артикуляционным органам от речевого центра мозга. Общий поток сообщений от мозга составляет в среднем 100 бит/с. Вся остальная информация – сопутствующая.

Речевой сигнал – модулированная несущая. Его спектр может быть описан следующим образом:

p(ω) = E(ω) ∙ F(ω)

где E(ω) – спектр генераторной функции

F(ω) – фильтровая функция речевого тракта – модулирующая кривая.

Эта модуляция – спектральная. При ней несущая имеет широкополосный спектр, а в результате модуляции изменяется соотношение между частотными составляющими, т.е. изменяется форма огибающей спектра.

Почти вся информация о звуках речи заключена в спектральной огибающей речи и ее временном изменении. Частичная информация о звуках речи заключена в переходах от тонального спектра к шумовому и обратно. Все эти изменения происходят в темпе речи.

Установлено, что речевой сигнал отличается от телеграфного тем, что в последнем нет информации об эмоциях, личности говорящего, а также исключается сопутствующая информация, имеющаяся в речи. Для передачи смысла речи достаточно передавать следующие сведения о форме огибающей спектра речи и о ее временном изменении в темпе смены звуков речи.

3

Области использования лазерного излучения.

Лазерное излучение используется в системах специальной связи, охранных сигнализаций и системах негласного съема информации.

В системах специальной связи лазерные приемопередающие модули позволяют достигать скорости передачи информации до 1,5 Гбит/с. Из-за сложности реализации каналообразующей аппаратуры, работающей в данном диапазоне частот, реальная скорость до 100 Мбит/с.

Таким образом при длительности сеанса связи 0,1 сек можно передать 1 Мб информации - это около 500 страниц текста или 3-4 высококачественных изображения. Малое время информационного обмена позволяет использовать этот способ для подвижных абонентов. Один из вариантов реализации такой системы связи, когда аппаратура лазерной связи расположена на автомобилях, движущихся в окружении средств перехвата.

Использование в охранной сигнализации. Применение лазерных средств для цели обнаружения и идентификации объектов позволяет реализовать 1 из наиболее эффективных принципов построения систем – принцип обеспечения однородности (принцип действия основан на перекрытии излучения обнаруживаемым объектом).

А также используется принцип активной локации, основанный на отражении коротких и сверхкоротких лазерных импульсов от поверхности объектов.

Первый принцип используется для охраны периметров, второй – для обнаружения посторонних объектов в помещениях, где их появление приводит к изменению формы принимаемого сигнала.

По сравнению с известными емкостными и индуктивными датчиками, лазерные системы обладают значительно меньшей вероятности ложной тревоги.

Система негласного съема информации. В подавляющем числе случаев получение этой информации сопряжено с риском обнаружения при доставке или размещении аппаратуры съема. Поэтому удобно проводить дистанционный съем информации, когда все предназначенное для этого оборудование размещается вне охраняемых зон или территорий частных владений. Практически полностью удовлетворяют этим требованиям лазерные системы дистанционного измерения акустических колебаний диэлектрических поверхностей.

Эта технология используется для несанкционированного акустического контроля помещений, имеющих внешние диэлектрические поверхности, т.е. стеклянные окна, а также для определения качества прозрачных покрытий, стекол, высокоточных оптических приборов при их производстве и эксплуатации.

Схема процесса измерения акустического сигнала представляет собой следующую последовательность операций:

1) излучение когерентного сигнала в направлении диэлектрической поверхности, находящейся вблизи источника акустического сигнала (до 500м)

2) формирование диаграммы отражения и изменение ее формы и положения в пространстве в соответствии с распределением микродеформаций на отражающую поверхность при помощи адаптивной приемной и передающей оптических систем

3) прием отраженного оптического сигнала и выделение из него модуляционных составляющих, обусловленных неравномерностью отражения при наличии деформаций. Эти системы могут применять для несанкционированного прослушивания сигналов. Основная сложность проведения съема информации в таких условиях – это необходимость точной временной санкции для восстановления искаженного отраженного сигнала.

Экзаменационный билет №14

2

Многообразие физических полей

Современные средства несанкционированного добывания информации, их называют технические средства разведки (ТСР), используют для достижения своих целей все технологические возможности. Для этого формируются каналы утечки информации за счет перехвата сигналов, переносимых физическими полями, которые сознательно или непреднамеренно формируются техническими системами и сопровождают их функционирование.

Едва ли не самым важным для работы современных информационных систем, едва ли не самым важным видом полей, детально изученным физикой и освоенным техникой, является электромагнитное поле.

Для несанкционированного доступа к информации, а, следовательно, и для ее защиты весьма важно изучение и использование полей, образованных упругими механическими колебаниями и волнами: распространяющиеся в воздухе – акустические поля, в твердых телах – вибро-акустические, в жидких средах – гидро-акустические.

Такую же физическую природу имеют волновые поля в упругой земной коре. Эти поля информативны для сейсмических разведок. Но волновые процессы, сопровождающие перенос энергии и, следовательно, сигналов, электромагнитными и акустическими полями не исчерпывают класс физических полей, информативных для технических разведок.

Значительный риск утечки информации создают поля температур, а также поля концентрации веществ в пространстве. Эти поля создаются многими техническими системами и комплексами, работа которых сопровождается значительными преобразованиями веществ и энергии (взрывами, радиоактивными излучениями, работой авиационных и реактивных двигателей).

3

Антенны. Основные физические параметры: КУ, ДДА.

Устройства, предназначенные для излучения или приема э/м волн, называют антеннами. Антенны разделяют на передающие и приемные. Антенна обладает свойством обратимости, согласно которому одна и та же антенна может как излучать, так и принимать э/м волны. Основные параметры антенны в режиме излучения сохраняются и в режиме приема электромагнитных волн. Конструкция антенны зависит от диапазона волн, желаемой направленности излучения, величины излучаемой мощности и места установки.

Рассмотрим основные физические параметры антенны. Введение этих параметров позволяет сравнивать различные типы антенн, судить о пригодности антенны для решения той или иной задачи, устанавливать соответствие антенны предъявляемым к ней требованиям.

Физические параметры:

1. Мощность и сопротивление излучения антенны

2. КПД

3. Диаграмма направленности антенны (ДНА)

4. Коэффициент направленного действия (КНД)

5. Коэффициент усиления (КУ)

6. Действующая длина антенны (ДДА)

Коэффициент усиления.

Две антенны, имеющие одинаковые ДНА и КНД при равной подводимой мощности будут создавать в одинаково расположенных относительно антенны точках приема различные направления поля в зависимости от величины потерь энергии в антенне.

Чтобы усилить влияние потерь энергии в антенне, вводят понятие коэффициента усиления.

G = η∙Д

где Д – наибольший размер излучающего раскрыва антенны.

Действующая длина антенны.

Для сравнения проволочных антенн различных типов вводят параметр действующая длина антенны (h_Д).

Создаваемая элементарным отрезком антенны напряженность поля в точке приема, расположенной на направлении максимума ДНА, определяется величиной тока в этом отрезке. Напряженность, которую создает вся антенна, определяется графически путем вычисления площади S₁, ограниченной кривой распространения тока вдоль провода и осью провода. Эту площадь называют площадью тока.

Антенны с одинаковой площадью тока создают одинаковые напряженности полей в равноудаленных точках приема, расположенных по направлению максимума ДНА. Поэтому антенну длиной l можно заменить некоторой воображаемой антенной с той же площадью тока, но в которой ток одинаков по всей длине и равен току на клеммах реальной антенны. Такая воображаемая антенна будет иметь длину h_Д, которую и называют ДДА. Она всегда меньше геометрического размера.

h_Д = λ /π

Антенны бывают проволочными, рупорными, зеркальными.

Экзаменационный билет №16

2

Физические поля различной природы как носители информации об объектах.

Носителями информации могут быть: человек, физические поля, уникальный новый прибор, электронные частицы и др.

Доступ к элементам информационной системы может осуществляться посредством сигналов, сопровождающих работу информационной системы. Каждое устройство хранения, передачи, обработки информации является источником излучений различной природы. Это электромагнитные и акустические волны. Перехватывая и обрабатывая излучения, сопровождающие работу информационной системы, можно получать различные сведения о процессах, сопровождающих передачу, обработку информации.

Источниками подобного рода излучений могут быть:

1. различные электронные устройства

2. элементы системы электропитания

3. конструкции зданий и сооружений

4. системы жизнеобеспечения (отопление, вентиляция)

Работа радиоэлектронных устройств и систем сопровождается возникновением электромагнитных полей. Эти поля способны переносить сигналы, информативные не только для собственных абонентов, которым предназначаются циркулирующие по каналам сообщения. Излучения, сопровождающие работу РЭС (радиоэлектронные средства), информативны для технических средств разведки. Более того, средства разведки могут принимать и использовать такие сигналы, которые РЭС создают в процессе функционирование непосредственно.

Большинство современных РЭС являются информационными, т.е. создающими электромагнитные поля и использующими процессы в электронных устройствах для передачи, приема, преобразования, обработки и хранения сообщения.

Работу РЭС можно проиллюстрировать следующей схемой:

Для РЭС разного функционального назначения и для источников информации разной природы эта схема может быть детализирована. Существенно то, что созданные электромагнитные поля создают угрозу несанкционированного приема (перехвата сигналов, информативных для технических средств разведки).

3

Распространение электромагнитных волн. Основные понятия: угол скольжения фронта волны, поляризация.

Билет №15

Экзаменационный билет №18

2

Электромагнитные волны в ИК диапазоне.

Любые тела излучают электромагнитные волны в ИК диапазоне. Величина энергии, излучаемая любым телом с температурой Т, пропорциональна температуре в четвертой степени в соответствие с формулой Стефана-Больцмана:

Е = kТ⁴

В ближней и средней зонах ИК излучения мощность теплового (собственного излучения объектов) значительно меньше мощности отраженного от объекта потока световой энергии.

При длинах волн 0,75-1,3 мкм, 1,2-3,0 мкм с переходом в длинноволновую область ИК диапазона мощность собственного излучения объектов становиться соизмеримой с мощностью отражаемого ими солнечного света.

Максимальное значение энергии ИК излучения тел находится в диапазоне 3-5 и 8-14 мкм длин волн.

Нагретые тела с помощью соответствующих приборов могут наблюдаться в полной темноте.

При оценке излучений в ИК диапазоне необходимо учитывать теплопроводность материалов объектов наблюдения.

В ИК диапазоне появляется дополнительный признак объекта, а именно температура различных участков поверхности объекта по отношению к температуре фона. Зрительный анализатор человека не воспринимает лучи в ИК диапазоне, поэтому признаки объектов в этом диапазоне добываются с помощью приборов ночного видения (тепловизеры), которые имеют худшее разрешение, чем глаз человека.

Видимое изображение на экранах тепловизера одноцветное, но изображение в ИК диапазоне может быть получено при малой освещенности объекта и даже в полной темноте.

В ИК диапазоне получают информацию о следующих признаках объекта:

1) геометрические характеристики внешнего вида объекта

2) характеристики температуры поверхности объекта

3

Звукопоглощающие материалы и конструкции. Коэффициент поглощения, классификация материалов, облицовочная конструкция.

Коэффициентом поглощения материала α называют отношение поглощенной энергии звуковой волны к падающей на поверхность этого материала.

Если размеры поверхности поглощающего материала велики по сравнению с длиной падающей звуковой волны и имеют большую толщину, то коэффициент поглощения находится через коэффициент отражения:

α = 1 - α_отр

Коэффициент зависит от угла падения звуковой волны на звукопоглощающий материал. Различают нормальный коэффициент поглощения для угла падения 90˚ и диффузный – для различных углов падения. Кроме того, коэффициенты поглощения зависят от частоты звуковой волны. Одни материалы имеют большее поглощение на низких, другие – на средних, высоких частотах. Ряд материалов имеет немонотонную зависимость коэффициента поглощения от частоты. Все это позволяет подбирать общее поглощение в помещении оптимальной величины во всем необходимом диапазоне частот.

Все материалы по звукопоглощению делятся на пористые, резонирующие и перфорированные. Другая классификация – сплошные и пористые.

Все сплошные материалы имеют акустическое сопротивление больше, чем у воздуха, а пористые в большинстве случаев меньше. Пористые материалы комбинируют всегда со сплошными, располагая сплошные позади пористых. При этом наименьшее поглощение у пористого материала получается при его расположении вплотную к стене из хорошо отражающего сплошного материала.

Наибольшее поглощение у пористого материала получается при его расположении на расстоянии четверти длины волны от стены из хорошо отражающего сплошного материала. Несколько меньшая разница в поглощении при расстоянии 3/4 и 5/4 длины звуковой волны. При большом удалении от стены коэффициент поглощения остается постоянным.

Для поглощающего материала с размером, сравнимым с длиной звуковой волны, коэффициент поглощения зависит от соотношения между ними. Например, открытое окно имеет коэффициент поглощения больше 1, т.е. энергия звуковой волны, падающей рядом с окном уходит в него из-за дифракции.

Коэффициент поглощения портьеры с небольшими размерами по сравнению с длиной звуковой волны больше, чем портьеры с большими размерами. Поэтому лучше иметь ряд узких портьер, чем одну широкую.

Одна из распространенных конструкций пористых поглощающих материалов – облицовочная. Такие материалы изготавливают в виде плоских или рельефных плит, располагаемых или вплотную, или на небольшом расстоянии от сплошной толстой стены. Пирамиды или клинья устанавливают на небольшом расстоянии от стены основаниями вплотную друг к другу, обращенными острыми углами в помещение. Такие конструкции создают большее поглощение, чем плоские плиты. Величина коэффициента поглощения зависит от толщины материала.

Пористые поглощающие материалы дают преимущественное поглощение в области высоких частот и неэффективны в нижней части частотного диапазона.

Экзаменационный билет №19

2

Акустика помещений. Основные понятия: диффузное поле, длина свободного пробега, среднее время свободного пробега.

Рассмотрим звуковые процессы в помещениях. Для помещений прямоугольной формы применяется волновая теория анализа характеристик. Но в инженерной практике пользуются более простыми методами расчета. Они основаны на статистической теории рассмотрения процессов отзвука. Согласно волновой теории собственные частоты помещения с длиной l, шириной b и высотой h определяется из выражения:

где c – скорость звука в воздухе

k, m, n – целые числа.

При включении источника звука процесс затухания колебаний происходит на всех собственных частотах помещения. Процесс затухания колебаний в помещении называется реверберацией.

В случае использования статистической теории реверберации пользуются следующими понятиями и величинами:

1) Диффузное поле

2) Средняя длина свободного пробега

3) Средний коэффициент поглощений

4) Время реверберации

5) Время запаздывания первых отражений

6) Акустическое отношение

Диффузное поле – это поле, в котором энергия отраженных звуковых волн преобладает над энергией прямого звука.

Отраженные звуковые волны движутся в помещении в различных направлениях. Если отзвук затухает слишком быстро, то в любой точке помещения число налагающихся друг на друга волн с различными направлениями волнового вектора может быть достаточно большим.

Равенство средних потоков энергии по различным направлениям называется изотропией. Изотропия тоже способствует равномерному распределению звуковой энергии по объему помещения, т.е. равенству средних значений плотности энергии в различных точках помещения.

Т.об. диффузное поле – это однородное и изотропное поле волн, движущихся в результате многократных отражений по всем направлениям.

Средняя длина свободного пробега определяется как среднее арифметическое длин отрезков между отражающими поверхностями, которые проходят звуковые волны.

Экспериментально установили, что для помещений прямоугольной формы средняя длина свободного пробега может быть определена исходя из геометрических размеров:

где V – объем, S – площадь помещения.

Среднее время свободного пробега определяется следующим образом:

3

Распространение электромагнитных волн. Основные понятия: плоскость распространения волн, фронт волны.

Билет №15

Экзаменационный билет №20

2

Общие принципы регистрации информативных характеристик полей.

Носителями информации являются различные поля. Из известных полей в качестве носителей применяются акустические, электрические, магнитные, электромагнитные, сейсмические поля.

Если поле представляет собой волны, то информация содержится в амплитуде, частоте и фазе.

Электромагнитная волна – это распространяющееся в пространстве электромагнитное поле.

Из многочисленных элементарных частиц в качестве носителей информации используются электроны, образующие статические заряды и электрический ток, а также используются частицы радиоактивных излучений (электроны и ядра гелия).

Попытки использования для переноса информации других элементарных частиц с лучшей проникающей способностью (т.е. меньшим затуханием в среде распространения), например, нейтрино, не привели пока к положительным результатам.

Материализация, т.е. запись любой информации, производится путем изменения параметров носителя информации.

Механизм запоминания и воспроизведения информации человеком в настоящее время еще не достаточно изучен и нет однозначного и ясного представления о носителях информации в мозгу человека. Рассматривается электрическая и химическая природа механизма запоминания.

Запись информации на материальные тела производится путем изменения физической структуры и химического состава. Записанная на материальном теле информация считывается при просмотре аналитическим зрительным анализатором человека или автомата и заключается в выделении и распознавании знаков, символов или конфигураций точек.

Запись информации на носители в виде полей и электрического тока осуществляется путем изменения их параметров.

3

Акустика помещений: Основные понятия: средний коэффициент поглощения, время реверберации, акустическое отношение.

Средний коэффициент поглощений. При каждом отражении сигнала от поверхности происходит поглощение некоторой части энергии сигнала (Е). В зависимости от свойств отдельных участков отражающих поверхностей относительная убыль энергии ΔЕ/Е при каждом отражении будет различной.

При достаточно большом числе отражений можно говорить о среднем коэффициенте поглощения:

Если помещение состоит из i участков площадью S_i с различными коэффициентами поглощения α_i , то средний коэффициент поглощения равняется:

где А – общее поглощение помещения (общий коэффициент поглощения помещения).

В процессе нарастания звука плотность звуковой энергии в помещении увеличивается по следующему закону:

где α_ср – средний коэффициент поглощения в помещении

с – скорость звука

S – площадь помещения

V – объем.

Пусть в помещении достигнуто стационарное значение плотности энергии ε , после чего источник звука выключается в момент времени t = 0. Считаем, что акты поглощения энергии происходят через равные промежутки времени Δt. После каждого акта поглощения в помещении остается (1-α_ср) начальной энергии. Т.об. получаем последовательность убывающих во времени значений энергии:

После преобразований можно получить следующее выражение для определения уменьшения плотности энергии:

Время реверберации – это такой интервал времени, в течении которого уровень звукового давления уменьшается на 60 дБ. Это соответствует уменьшению звукового давления в 10³ раз, а плотность энергии уменьшается в 10⁶ раз.

Время реверберации можно определить по следующей формуле:

Эту формулу называют формулой Эйринга, где V – объем помещения, S – площадь внутренных ограничивающих помещения, -ln(1-α_ср) – реверберационный коэффициент.

Акустическое отношение – отношение плотности энергии отраженных волн к плоскости энергии прямого звука или отношение квадратов звуковых давлений диффузного поля к давлению поля прямого звука:

Оптимальное значение акустического отношения для передачи речи находится в пределах от 0,5 до 4 (безразмерная единица). Если акустическое отношение меньше этого предела, то передача речи звучит отрывисто, если оно больше этого предела, то речь становиться плохоразборчивой.