Лабораторный практикум по курсу «Акустика»

Московский государственный технический университет  
имени Н.Э. Баумана 
М.П. Сычев, С.Б. Козлачков 
 
 
ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ  
ПО КУРСУ «АКУСТИКА» 
 
 
 
Рекомендовано Научно-методическим советом  
МГТУ им. Н.Э. Баумана в качестве учебного пособия  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
М о с к в а  
Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана 
2 0 1 1  
 

УДК 534(075.8) 
ББК 22.32 
 С95 
Рецензенты: С.В. Дворянкин, П.Б. Петренко 
 С95 
 
Сычев М.П. 
  
 
        Лабораторный практикум по курсу «Акустика» : учеб. пособие / М.П. Сычев, С.Б. Козлачков. — М.: Изд-во МГТУ им. 
Н.Э. Баумана, 2011. — 76, [4] с. : ил.  
 
Представлены четыре лабораторные работы по курсу «Акустика», даны краткие теоретические сведения, задания и порядок выполнения лабораторных работ, а также методические указания к их выполнению. 
Для студентов МГТУ им. Н.Э. Баумана, обучающихся по направлению подготовки «Информационная безопасность». 
 
УДК 534(075.8) 
ББК 22.32 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
© МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2011 
 

 
ПРЕДИСЛОВИЕ 
Акустика — общая и теоретическая — занимается изучением 
закономерностей излучения и распространения упругих волн в 
различных средах, а также взаимодействия этих волн со средой. К 
разделам акустики относятся электроакустика, архитектурная акустика и строительная акустика, атмосферная акустика, геоакустика, гидроакустика, физика и техника ультразвука, психологическая 
и физиологическая акустика, музыкальная акустика. Одним из современных направлений акустики является защита от утечки акустической (речевой) информации по техническим каналам [1—8].  
Акустический сигнал представляет собой возмущения упругой 
среды, проявляющиеся в возникновении акустических колебаний. 
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, 
образующие побочные технические каналы утечки акустической 
(речевой) информации.  
В зависимости от физической природы возникновения информационных сигналов, среды распространения звука каналы утечки 
акустических сигналов можно подразделить на воздушные, вибрационные, электроакустические, оптико-электронный и др.  
В воздушных технических каналах утечки акустической информации средой распространения акустических сигналов является воздух, и для их перехвата используются специальные высокочувствительные микрофоны. 
 
3 

В вибрационных (структурных) технических каналах утечки 
акустической информации средой распространения акустических 
сигналов являются конструкции зданий, сооружений (стены, потолки, полы), трубы водоснабжения, отопления, канализации и другие 
твердые тела.  
Электроакустические технические каналы утечки акустической 
информации возникают за счет электроакустических преобразований акустических сигналов в электрические.  
Оптико-электронный (лазерный) канал утечки акустической информации образуется при воздействии лазерного излучения на вибрирующие в акустическом поле тонкие отражающие поверхности 
(стекла окон, картины, зеркала и т. д.). Отраженное лазерное излучение (диффузное или зеркальное) модулируется по амплитуде и 
фазе (по закону вибрации поверхности) и принимается приемником 
оптического (лазерного) излучения, при демодуляции которого выделяется речевая информация [1]. 
Для оценки уровня защищенности речевой информации используются инструментально-расчетные методы, базирующиеся 
на измерениях параметров акустических (речевых и маскирующих), виброакустических и электроакустических сигналов. Методики по указанным видам измерений детально изложены в соответствующих ГОСТах и документах ФСТЭК РФ. Однако область 
применения измерительных методик на защищаемых объектах ограничивается отсутствием надлежащих метрологических условий. Например, в большинстве случаев невозможно проводить измерения в 
условиях свободного поля. В силу этих и ряда других обстоятельств 
значительно возрастают погрешности измерений. 
В настоящем лабораторном практикуме студентам необходимо 
изучить некоторые виды измерений, освоить современные измерительные аппаратно-программные комплексы и оценить факторы, 
влияющие на погрешности измерений и достоверность результатов измерений. В пособии приведены теоретические сведения и 
дано краткое описание лабораторных работ. 
 
4 

 
Работа № 1. ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА СЛУХА  
И АКУСТИЧЕСКИЕ СИГНАЛЫ 
Введение 
Цель работы — изучение основных характеристик слухового 
аппарата человека и акустических сигналов, освоение программы 
анализа акустических сигналов (аудиосигналов) Adobe Audition, 
ознакомление с современными методами цифрового анализа аудиосигналов.  
В ходе работы студенты должны получить навыки применения 
динамического спектрального анализа, а также навыки оценки 
влияния параметров анализа на качество и информативность получаемых результатов, идентификации типа акустического сигнала и 
оценки его параметров по графическим сонограммам, осциллограммам и спектрам.  
Перед выполнением лабораторной работы необходимо изучить соответствующий теоретический материал, термины и определения, используемые в акустике, основные характеристики и 
параметры слуха и речевых сигналов, Руководство по применению программы анализа аудиосигналов Adobe Audition1 и настоящее пособие. 
Лабораторная работа состоит из двух этапов: первый — выполнение домашнего задания; второй — выполнение задания в 
аудитории. 
Для допуска к выполнению работы в аудитории студент должен представить преподавателю материалы выполненного домашнего задания и запись аудиосигнала в формате wav.  
                                                        
1 Электронная версия Руководства по применению программы анализа аудиосигналов Adobe Audition находится на кафедре ИУ-10. 
 
5 

1. Краткие теоретические сведения 
Звук — это распространяющиеся в упругих средах (газах, жидкостях и твердых телах) механические колебания, воспринимаемые органами слуха. При распространении звука возникает переменное возмущение упругой среды в виде звуковых волн. 
Пространство, в котором происходит распространение этих волн, 
называется звуковым полем. Если источник возмущения известен, 
то пространство, в котором могут быть обнаружены звуковые колебания, создаваемые этим источником, называется звуковым полем данного источника звука. Звуковые колебания в жидкой и газообразной средах — продольные, в твердых телах — поперечные 
и продольные. Направление распространения звуковой волны называется звуковым лучом. 
Органы слуха человека способны воспринимать звуковые колебания в диапазоне частот f  = 20…20 000 Гц. Такие колебания 
называются звуковыми или акустическими. Ухо человека наиболее 
чувствительно к звукам частотой f  = 500...5000 Гц. Наибольшая 
острота слуха наблюдается в возрасте 15—20 лет, с увеличением 
возраста слух ухудшается. 
Одной из основных характеристик звука является амплитуда 
колебаний — наибольшее отклонение от положения равновесия 
при гармонических колебаниях. Например, у маятника это максимальное отклонение его в крайнее левое положение либо в крайнее 
правое положение. Амплитудой колебаний определяется интенсивность I, или сила звука. 
Сила или интенсивность звука определяется количеством акустической энергии, протекающей за одну секунду через площадь в 
один квадратный сантиметр. Следовательно, интенсивность акустических волн зависит от акустического давления, создаваемого 
источником в среде. 
Речеобразующий тракт человека, с позиций механической 
системы, состоит из генератора звуковых импульсов, модуляторов, волноводов и набора резонаторов (рис. 1.1). Как большинство таких систем, он отличается невысоким КПД, порядка 
0,2 %. Максимальные уровни звукового давления, зарегистрированные у первоклассных оперных певцов, составляют от 100  
до 112 дБ. 
 
6 

 
 
 
 
 
 
Рис. 1.1. Структура речеобразующего аппарата человека 
 
 
7 

В соответствии с моделью Фанта такой тракт можно уподобить 
духовому музыкальному инструменту, который состоит из следующих элементов: 
• генератора — дыхательной системы, состоящей из воздушного резервуара (легкие), где запасается энергия избыточного давления, мышечной системы и выводного канала (трахея) со специальным аппаратом (гортань), где воздушная струя прерывается и 
модулируется;  
• вибраторов — голосовых связок, воздушных турбулентных 
струй (создающих краевые тоны), импульсных источников (взрывов);  
• резонаторов — разветвленной и перестраиваемой системы резонансных полостей сложной геометрической формы (глотка, ротовая и 
носовая полости), называемой артикуляционной системой.  
В процессе образования звуков речи воздушный поток из легких проходит через трахею, голосовую щель, гортань и затем разветвляется. Часть его поступает в носоглотку и выходит наружу 
через носовые отверстия, другая часть, пройдя через полость рта, 
выходит наружу через ротовое отверстие. 
Легкие в процессе речеобразования играют роль источников 
энергии. При вдохе объем грудной клетки увеличивается и легкие 
заполняются воздухом. При сжатии грудной клетки и при подъеме 
диафрагмы на легкие начинают действовать внешние механические силы, вследствие чего создается избыточное давление и воздух начинает поступать в трахею. Вверху трахея перекрыта голосовыми связками, представляющими собой эластичные мышцы. 
Мышцы, меняя свою конфигурацию, могут изменять величину и 
форму отверстия, через которое проходит воздух, образуя голосовую щель.  
При вдохе и выдохе голосовая щель полностью открыта, а при 
произношении некоторых звуков, называемых вокализованными, 
голосовые связки вибрируют (колеблются), при этом голосовая 
щель то увеличивается, то уменьшается, то оказывается полностью 
закрытой. В результате колебаний голосовых связок непрерывный 
воздушный поток, идущий из легких, преобразуется в импульсный. Частоту колебаний голосовых связок называют частотой основного тона. 
При произношении глухих согласных звуков, называемых невокализованными, голосовые связки не вибрируют, однако в ре 
8