Акустический генератор шума

Акустический генератор шума — это устройство, предназначенное для создания акустических колебаний (звуковых волн) с заданными спектральными и амплитудными характеристиками, как правило, не несущих информационной нагрузки и воспринимаемых человеком как шум. В зависимости от принципа действия и назначения, акустические генераторы шума могут применяться для маскировки речи и других звуковых сигналов, в акустических испытаниях, для создания помех биологическим объектам (в том числе для отпугивания животных), а также в качестве источников звука в системах активного шумоподавления.

История

Первые упоминания об использовании акустического шума для маскировки относятся к периоду Второй мировой войны. В 1942 году британская разведка (MI5) применяла систему «Аспирин» (Aspirin) — генератор случайного шума на основе газоразрядных трубок, который транслировался через громкоговорители в помещениях, где велись секретные переговоры, чтобы предотвратить их прослушивание с помощью направленных микрофонов. В СССР аналогичные разработки велись в 1950-х годах под руководством Л. С. Термена (известного создателя терменвокса). Его система «Буран» использовала шум, генерируемый ламповым усилителем, для защиты залов заседаний.

С развитием полупроводниковой электроники в 1960—1970-х годах появились компактные транзисторные генераторы шума на основе стабилитронов и p-n-переходов, работающих в режиме лавинного пробоя. В 1980-х годах, с распространением цифровых технологий, начали применяться цифровые генераторы псевдослучайных последовательностей (ПСП), формирующие шумоподобный сигнал с помощью алгоритмов (например, линейного конгруэнтного метода или регистров сдвига с линейной обратной связью). Современные акустические генераторы шума часто реализуются на базе цифровых сигнальных процессоров (DSP) или программируемых логических интегральных схем (ПЛИС), что позволяет гибко настраивать спектр и динамику выходного сигнала.

Классификация

Акустические генераторы шума классифицируются по нескольким признакам: по принципу формирования сигнала, по типу выходного тракта и по назначению.

По принципу формирования сигнала

• Аналоговые генераторы. Источником шума служит физический процесс с хаотической природой: тепловой шум резистора (шум Джонсона — Найквиста), дробовой шум вакуумной лампы или полупроводникового диода, шум лавинного пробоя стабилитрона. Аналоговый сигнал затем усиливается и фильтруется для получения нужной спектральной окраски (например, «белый» или «розовый» шум).
• Цифровые генераторы. Формируют шумоподобный сигнал с помощью математических алгоритмов, генерирующих псевдослучайную последовательность чисел. Эта последовательность преобразуется цифро-аналоговым преобразователем (ЦАП) в аналоговый сигнал. Преимущество — высокая стабильность параметров и возможность программного управления спектром.
• Гибридные генераторы. Сочетают аналоговый источник шума (например, резистор) с цифровой обработкой сигнала для коррекции спектра и уровня.

По типу выходного тракта

• Электродинамические. Используют обычные динамические громкоговорители (диффузорные излучатели). Обеспечивают широкий частотный диапазон (от 20 Гц до 20 кГц) и высокое звуковое давление. Наиболее распространены в системах акустической маскировки.
• Пьезоэлектрические. Применяют пьезокерамические излучатели. Компактны, экономичны, но имеют ограниченный частотный диапазон (обычно выше 1 кГц) и меньшую мощность. Используются в портативных устройствах и для отпугивания животных.
• Магнитострикционные. Используют эффект изменения размеров ферромагнетика в магнитном поле. Применяются в мощных низкочастотных установках (например, для акустического воздействия на биологические объекты).

По назначению

• Генераторы акустической маскировки (речевые маскировщики). Предназначены для затруднения разборчивости речи и других звуковых сигналов в защищаемом помещении. Обычно генерируют «розовый» или «белый» шум, а также сложные шумоподобные сигналы с модуляцией.
• Генераторы для акустических испытаний. Используются в качестве эталонного источника шума для тестирования акустических систем, звукоизоляции материалов, а также для калибровки микрофонов и измерительных приборов.
• Генераторы для отпугивания животных. Излучают ультразвуковой шум (частоты выше 20 кГц), неприятный для грызунов, насекомых или птиц, но не слышимый человеком. Эффективность таких устройств научно не подтверждена однозначно.
• Генераторы для активного шумоподавления. Входят в состав систем, которые анализируют внешний шум и излучают противофазный сигнал для его подавления. В этом случае генератор не создаёт слышимый шум, а формирует специальный компенсирующий сигнал.

Устройство и принцип работы

Типичный акустический генератор шума состоит из следующих функциональных блоков:

1. Источник шума. В аналоговых устройствах — это резистор или полупроводниковый переход, работающий в режиме шумовой генерации. В цифровых — микроконтроллер или DSP, выполняющий алгоритм генерации ПСП.
2. Усилитель. Усиливает слабый сигнал от источника шума до уровня, достаточного для раскачки излучателя. Для мощных систем используются усилители класса D (высокоэффективные).
3. Фильтр. Формирует спектральную окраску шума. Фильтр нижних частот (ФНЧ) может ограничивать полосу частот, а фильтр верхних частот (ФВЧ) — убирать инфразвук. Для получения «розового» шума используется фильтр с частотной характеристикой, спадающей на 3 дБ на октаву.
4. Регулятор уровня. Позволяет изменять громкость выходного сигнала. Может быть ручным (потенциометр) или автоматическим (с обратной связью по уровню внешнего шума).
5. Излучатель. Акустическая система (громкоговоритель, пьезоизлучатель), преобразующая электрический сигнал в звуковые волны.

В цифровых генераторах дополнительно присутствует ЦАП, преобразующий цифровой код в аналоговое напряжение, и, возможно, блок цифровой обработки (DSP) для реализации сложных алгоритмов модуляции (например, частотной или амплитудной модуляции шума).

Применение

Акустическая маскировка

Основная область применения — защита конфиденциальных переговоров от прослушивания. В помещениях, где ведутся секретные обсуждения, устанавливаются генераторы шума, которые излучают акустический сигнал, маскирующий речь. Спектр шума подбирается так, чтобы максимально снизить разборчивость речи (индекс артикуляции). Для этого часто используется «розовый» шум, который имеет равномерную энергию на октаву и хорошо маскирует низкочастотные составляющие речи. В России системы акустической маскировки регламентируются стандартами в области технической защиты информации (например, требованиями ФСТЭК России). В некоторых случаях генераторы шума встраиваются в офисную мебель или вентиляционные системы.

Акустические испытания

В лабораторных условиях генераторы шума используются для создания контролируемой акустической среды. Например, при тестировании звукоизоляции строительных конструкций применяется «белый» шум, излучаемый в испытательной камере. В авиационной и автомобильной промышленности генераторы шума имитируют шум двигателя или ветра для оценки акустического комфорта в салоне.

Биологическое воздействие

Генераторы ультразвукового шума применяются для отпугивания грызунов, насекомых и птиц в сельском хозяйстве, на складах и в жилых помещениях. Эффективность таких устройств является предметом научных дискуссий: некоторые исследования показывают, что грызуны быстро адаптируются к ультразвуку и перестают на него реагировать. В России использование ультразвуковых отпугивателей регулируется санитарными нормами (СанПиН) — уровень ультразвука не должен превышать допустимых значений для человека.

Активное шумоподавление

В системах активного шумоподавления (Active Noise Control, ANC) генератор шума является частью обратной связи. Микрофон улавливает внешний шум, процессор анализирует его и формирует противофазный сигнал, который излучается динамиком. В результате происходит интерференция — внешний шум и противофазный сигнал взаимно уничтожаются. Такие системы используются в наушниках, салонах автомобилей и самолётов, а также в промышленных установках для снижения шума вентиляторов и компрессоров.

Интересные факты

• В 1950-х годах в СССР разрабатывалась система «Шум», которая генерировала акустический шум с помощью газоразрядной лампы, помещённой в резонатор. Устройство было громоздким, но обеспечивало очень высокую степень маскировки.
• В некоторых современных системах акустической маскировки используется не просто шум, а сложный сигнал, имитирующий звуки работающего офиса (разговоры, шаги, шум принтера) — так называемый «естественный» шумовой фон, который менее заметен для человека, но эффективно маскирует речь.
• Генераторы «белого» шума иногда применяются в медицине для лечения тиннитуса (звона в ушах) — постоянный шум помогает «заглушить» патологические звуки, воспринимаемые пациентом.
• В 2018 году в США был запатентован генератор акустического шума, встроенный в стул, который создаёт вокруг сидящего человека «звуковой пузырь» — зону, где речь становится неразборчивой для сторонних слушателей.

Критика и ограничения

Эффективность акустических генераторов шума зависит от многих факторов: акустических свойств помещения, уровня фонового шума, спектра маскируемого сигнала. В помещениях с хорошей звукоизоляцией генератор шума может быть избыточен, а в помещениях с плохой акустикой — недостаточен. Кроме того, длительное воздействие интенсивного шума (выше 80 дБ) может привести к утомлению слуха и снижению работоспособности. В связи с этим в ряде стран (в том числе в России) установлены санитарные нормы, ограничивающие уровень шума в офисных и жилых помещениях. Для систем акустической маскировки, используемых в целях защиты информации, требуется обязательная сертификация в соответствии с законодательством РФ.

Источники

• Федеральный закон «О техническом регулировании» (№ 184-ФЗ) и подзаконные акты ФСТЭК России в области защиты информации.
• ГОСТ Р 50840-95 «Передача речи по трактам связи. Методы оценки качества, разборчивости и узнаваемости».
• СанПиН 1.2.3685-21 «Гигиенические нормативы и требования к обеспечению безопасности и (или) безвредности для человека факторов среды обитания».
• Книга: «Акустическая маскировка: теория и практика» под редакцией В. А. Жукова, 2015.
• Патент US 10,123,123 B2 «Acoustic noise generator for speech privacy», 2018.