Исследование характеристик одночастотного акустического извещателя

РАДИОТЕХНИКА И СВЯЗЬ

ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ОДНОЧАСТОТНОГО АКУСТИЧЕСКОГО ИЗВЕЩАТЕЛЯ

STUDY OF CHARACTERISTICS OF SINGLE-FREQUENCY

ACOUSTIC DETECTOR

В статье рассмотрен охранный одночастотный акустический извещатель. Описан принцип его работы, представлены основные характеристики, указаны его преимущества перед другими извещателями.

In the article security and single-frequency acoustic detector. The described principle of operation, presents the main characteristics, listed its advantages over other detectors.

Введение. Для охраны помещений, в которых находятся материальные ценности, применяются различные технические средства охранной сигнализации [1, 2]. По нашему мнению, наиболее важными из них являются охранные извещатели. Они устанавливаются непосредственно на охраняемом объекте и осуществляют функцию обнаружения проникновения на объект, или же обнаружения нарушителя на соответствующих рубежах охранной сигнализации.

Наиболее важным из рубежей охранной сигнализации, как представляется, является первый. Ведь если преодоление нарушителем первого рубежа не обнаружено, то у нарушителя появляется дополнительная возможность «обхода» системы охраны объекта, так как необнаруженное преодоление первого рубежа (проникновение) даёт нарушителю возможность осмотра охраняемого помещения и выявления установленных в нём технических средств охранной сигнализации. Поэтому обнаружение факта проникновения на объект является весьма важной задачей.

114

В настоящее время известно несколько видов извещателей [1, 3, 4]. Но следует отметить, что большинство извещателей регистрируют факт проникновения на объект (в помещение) по косвенным признакам и не дают ответа на вопрос, произошло ли на самом деле проникновение или нет, что является их недостатком.

В данной работе будет рассмотрен охранный одночастотный акустический изве-щатель, который даёт ответ на поставленный вопрос, так как он проникновение обнаруживает по прямому признаку, что является одним из его преимуществ над всеми другими охранными извещателями.

Следует отметить, что у истоков создания акустических извещателей этого типа стояли русские учёные С. С. Судаков, В. Н. Ботнев, Г. Е. Шепитько, С. Т. Быст-ров, С. А. Груша [5—8]. Их идея нашла продолжение в работах И. И. Медведева [9—11]. Данная работа является дальнейшим развитием исследований одночастотного акустического извещателя и обобщением полученных результатов.

Целью работы является описание принципа действия охранного одночастотного акустического извещателя, исследование его характеристик, сравнительный анализ охранных извещателей по обнаружению проникновения на охраняемый объект.

Теоретические основы возможности создания одночастотного акустического извещателя. В основу принципа действия одночастотного акустического извещателя заложен известный эффект возникновения положительной обратной связи в системе микрофон — усилитель звуковой частоты — излучатель звука (рис. 1). Из теории известно, что в системах с обратной связью возникают незатухающие колебания, если выполняются условия баланса фаз и баланса амплитуд.

Условие баланса фаз:

у=2жп,

где у — набег фаз в рассматриваемой системе; п = 0, 1, 2, ... .

Условие баланса амплитуд:

в > 1 / К

где в — коэффициент передачи окружающей среды между микрофоном и излучателем; К — коэффициент усиления усилителя звуковой частоты.

Амплитуда установившихся незатухающих колебаний в этой системе равна максимально возможному выходному напряжению усилителя, значение которого определяется напряжением источника питания.

Усилитель звуковой частоты

ю

42 /

Рис. 1. К пояснению эффекта установления незатухающих колебаний при возникновении положительной обратной связи в системе микрофон 1 — усилитель

звуковой частоты — излучатель звука 2

Если хотя бы одно из указанных условий (1) или (2) не выполняется, то система находится в устойчивом состоянии — в линейном усилительном режиме, то есть усиливает звуки окружающей среды.

Принцип действия извещателя. На основе описанного эффекта возникновения положительной обратной связи и разработан одночастотный акустический извещатель, структурная схема которого представлена на рис. 2.

Одночастотный акустический извещатель предназначен для охраны объектов, имеющих замкнутый объём (герметичных объектов), например помещений, сейфов, кейсов и т.п. Принцип его действия рассмотрим на примере охраны помещения.

Микрофон 1 и излучатель 2 устанавливают с разных сторон границы охраняемого помещения (рис. 2), которая является акустическим экраном между ними. На вход микрофона поступают из окружающей среды акустические сигналы, которые преобразуются в переменное напряжение х(1) соответствующей частоты и амплитуды. Это напряжение поступает на полосовой фильтр (Ф) с коэффициентом усиления Кф, далее на линейный усилитель звуковой частоты (У) с коэффициентом усиления Ку, а с его выхода полученное напряжение у^) подаётся на излучатель 2, в котором происходит его преобразование в звуковой сигнал 2(1).

х

1

g(t)/ е(0

Рис. 2. Структурная схема одночастотного акустического извещателя с положительной обратной связью: 1 — микрофон, 2 — излучатель, 3 — граница охраняемого объекта, Ф — полосовой фильтр, У — усилитель, Д — детектор, ФНЧ — фильтр нижних частот, ПУ — пороговое устройство

Воспроизведённый излучателем сигнал 2^) распространяется в окружающей среде (воздух, граница охраняемого объекта) с общим коэффициентом передачи в(1) и поступает как звуковой сигнал е(1) на вход микрофона 1, смешиваясь со звуками окружающей среды g(t), где они опять преобразуется в напряжение х(1) и т.д.

Поскольку граница объекта является акустическим экраном между излучателем и микрофоном, то можно считать, что обратная связь в извещателе практически отсутствует:

в < 1 / К,

где К = КфКу — общий коэффициент усиления извещателя.

В одночастотном акустическом извещателе применяется узкополосный полосовой фильтр Ф, поэтому на выходе усилителя У и излучателя 2 из всего спектра поступающих на микрофон акустических сигналов будут присутствовать только сигналы, попадающие в полосу частот фильтра Ф. Выбрав среднюю (центральную) частоту фильтра / в области частот 15—20 кГц, можно отстроиться от многих звуковых помех g(t), лежащих, в основном, в диапазоне ниже 10 кГц.

Таким образом, во время охраны объекта одночастотный акустический извеща-тель находится в дежурном режиме, при этом амплитуда сигнала и шумов на выходе усилителя незначительна.

Когда происходит проникновение на объект, то нарушается целостность (или герметичность) объекта, коэффициент передачи среды ß(t) увеличивается и при выполнении условий (1) и (2) извещатель самовозбуждается — появляются незатухающие колебания. Оценивая амплитуду колебаний на выходе усилителя y(t), выносят суждение о нарушении целостности строительной конструкции объекта (о проникновении на объект). Для этого напряжение y(t) подают на детектор Д, где оно детектируется, а затем через фильтр нижних частот ФНЧ, частоту среза которого задают 1,5—2 Гц, поступает на вход порогового устройства ПУ. Сравнивая в пороговом устройстве напряжение w(t) на выходе ФНЧ с пороговым напряжением ип, можно вынести суждение о проникновении на объект.

В дежурном режиме выполняется условие:

w

поэтому на выходе порогового устройства сигнал тревоги Тр отсутствует. При проникновении происходит самовозбуждение извещателя и выполняется условие:

w

поэтому на выходе порогового устройства появляется сигнал тревоги Тр, который указывает на срабатывание извещателя и обнаружение проникновения. Таким образом, в одночастотном акустическом извещателе вывод о проникновении на охраняемый объект осуществляется по прямому признаку — нарушению целостности (герметичности) строительной конструкции объекта.

Сравнительный анализ охранных извещателей по обнаружению проникновения на охраняемый объект. Проанализируем, в чём же выражается преимущество одночастотного акустического извещателя над другими извещателями в части обнаружения проникновения на объект. При анализе будем учитывать изложенные в [1, 3, 4] рекомендации и указания по блокировке охраняемых объектов соответствующими видами извещателей.

Как известно, проникнуть на объект можно одним из способов:

1. Открыть подвижный элемент строительной конструкции объекта (двери, окна

и т.п.).

2. Разрушить строительную конструкцию (разбитие, выдавливание, вырезание, сверление стекла окна; пролом, вырезание, выдавливание сверление двери, стены и т.п.).

Известно, что магнитоконтактные извещатели рекомендуют применять для блокировки дверных, оконных конструкций и отдельных предметов [1, 3, 4]. То есть с их помощью можно обнаружить открывание двери или окна. Однако разрушение этих конструкций любым из указанных выше способов магнитоконтактные извещатели обнаружить не могут. При применении одночастотного акустического извещателя для блокировки дверных, оконных конструкций можно обнаружить и открывание, и разрушение

этих конструкций, поскольку в обоих случаях коэффициент передачи среды в^) увеличивается и при выполнении условий (1) и (2) извещатель самовозбуждается — появляются незатухающие колебания и извещатель выдаст сигнал тревоги.

Магнитоконтактные извещатели не применяют для блокировки стен, полов и потолков. Одночастотный акустический извещатель для этих целей применить можно. При разрушении заблокированных им стен, пола или потолка коэффициент передачи среды в^) увеличивается и извещатель так же, как описано выше, выдаст сигнал тревоги.

Отметим, что в данной работе рассматривается только обнаружение проникновения на объект, а блокировка отдельных предметов не является предметом рассмотрения. С этой же позиции мы будем подходить и при анализе других извещателей.

Ударно-контактные извещатели рекомендуется применять для блокировки остеклённых конструкций охраняемого объекта [4]. Они обнаруживают любые способы разрушения стекла. Однако открывание окна они обнаружить не могут. Следует отметить, что ударно-контактные извещатели в настоящее время в [1] отсутствуют.

Электроконтактные извещатели [3] тоже в настоящее время в [1] отсутствуют. Но ранее они применялись для блокировки неподвижных конструкций объектов — стен, полов, потолков и окон. Кроме этого они применялись и для блокировки полотна двери. Электроконтактные извещатели обнруживали разрушение блокируемой конструкции объекта только в том случае, если происходило повреждение проводника, из которого был изготовлен датчик извещателя. Это создавало возможность обхода таких извещате-лей, например, вырезание, сверление стекла окна в местах, свободных от фольги датчика. В настоящее время функции электроконтактных извещателей по блокировке возложены на другие извещатели.

Извещатели охранные поверхностные звуковые (акустические) предназначены для обнаружения разрушения остеклённых конструкций в помещениях (стекол, стекло-пакетов и стеклоблоков). Они, как правило, блокируют окна и витрины. Принцип работы данных извещателей основан на бесконтактном методе акустического контроля разрушения стеклянного полотна по возникающему при разрушении сигналу в звуковом диапазоне частот, распространяющемуся по воздуху. Эти извещатели не обнаруживают разрушение не стеклянных строительных конструкций, а также не обнаруживают открывание подвижных элементов строительной конструкции объекта, в том числе и открывание окон.

Вибрационные извещатели рекомендуют применять для обнаружения на ранней стадии попытки умышленного разрушения, повреждения или взлома различных строительных конструкций [4]. В качестве чувствительного элемента в них используется широкополосный пьезоэлектрический акселерометр, преобразующий механические вибрации в переменный электрический сигнал. Таким образом, такие вибрационные извещатели можно отнести к пьезоэлектрическим, как это и сделано в [1]. Принцип действия пьезоэлектрических (вибрационных) извещателей основан на анализе вибрационных сигналов, возникающих в строительных конструкциях при нанесении разрушающих воздействий с целью проникновения в охраняемое помещение. Но следует отметить, что определить, произошло ли разрушение строительной конструкции, этот извещатель не может, он только обнаруживает вибрацию от ударов по охраняемой конструкции. Обычно пьезоэлектрическими извещателями блокируют стены, но возможна блокировка пола и потолка. Обнаружить открывание двери или окна эти извещатели не могут.

Ультразвуковые извещатели применяют для блокировки внутреннего объёма помещений и небольших замкнутых объёмов (витрин, шкафов, и т.п.) размером от 0,05 до 1 м3 [1]. В связи с тем, что принцип работы извещателей для блокировки внутреннего объёма помещений основан на эффекте Доплера, они обнаруживают только движущегося нарушителя, когда он попадает в зону обнаружения извещателя. Разрушение строительных конструкций эти извещатели обнаружить не могут. Открывание подвижных конструкций они могут обнаружить только лишь при определённых условиях: если подвижная конструкция объекта открывается внутрь охраняемого помещения, попадает в зону обнаружения извещателя и скорость её открывания (движения) не меньше нижней границы обнаруживаемых скоростей.

Оптико-электронные пассивные инфракрасные извещатели рекомендуют применять для блокировки внутреннего пространства помещений и проёмов в строительных конструкциях охраняемого объекта [4]. Извещатели с объёмной зоной обнаружения применяют для блокирования внутреннего пространства помещения. Обнаружить открывание подвижной конструкции охраняемого объекта или разрушение конструкции охраняемого объекта они могут только при определённых условиях: если подвижная конструкция объекта или место, где происходит разрушение, попадает в зону обнаружения изве-щателя и в момент открывания или разрушения температура воздуха там (за счёт притока или оттока) резко изменяется. Извещатели с поверхностной зоной обнаружения применяют для блокирования различных проёмов, стен «на пролом» [4]. Они могут обнаружить открывание подвижных конструкций охраняемого объекта или разрушение конструкции охраняемого объекта при тех же условиях, что и извещатели с объёмной зоной обнаружения.

Оптико-электронные активные инфракрасные извещатели рекомендуют применять для блокировки периметров территорий, конструкций помещений и отдельных предметов [4]. Поскольку активные инфракрасные извещатели регистрируют изменение собственного излучения, вызванное вторжением нарушителя в зону обнаружения, они могут обнаружить открывание подвижных конструкций охраняемого объекта, если те при открывании будут пересекать зону обнаружения извещателя. Разрушение охраняемых неподвижных и подвижных элементов строительных конструкций объектов они обнаружить не могут.

Радиоволновые извещатели могут применяться для блокировки внутреннего пространства закрытых помещений. В связи с тем, что принцип работы этих извещателей, как и ультразвуковых, основан на эффекте Доплера (но они работают в области сверхвысоких частот), они тоже обнаруживают только движущегося нарушителя, когда он попадает в зону обнаружения извещателя. Разрушение строительных конструкций эти из-вещатели обнаружить не могут. Открывание подвижных конструкций они могут обнаружить лишь при определённых условиях: если подвижная конструкция объекта металлическая и открывается внутрь охраняемого помещения, попадает в зону обнаружения извещателя и скорость её открывания (движения) не меньше нижней границы обнаруживаемых скоростей.

Емкостные извещатели рекомендовано применять для блокировки отдельных предметов [4]. Емкостные извещатели не обнаруживают разрушение строительных конструкций и открывание подвижных элементов строительных конструкций объекта. Следует отметить, что емкостные извещатели в настоящее время в [1] отсутствуют.

Результаты проведенного анализа можно представить в виде таблицы.

Обнаружительная способность извещателей

Обнаружение факта проникновения на объект

Типы извещателей двери, от- двери, разру- окна, от-крыва- окна, разрушение стены, разруше- полы, разруше- потолки, разруше-

кры- шение ние ние ние ние

вание

Магнитоконтактные + - + - - - -

Электроконтактные - + - + + + +

Ударно-контактные - - - + - - -

Пьезоэлектрические - + - - + + +

Емкостные - - - - - - -

Ультразвуковые ± - ± - - - -

Радиоволновые ± - ± - - - -

Оптико-электронные (пассивные) ± ± ± ± ± ± ±

Оптико-электронные (активные) ± - ± - - - -

Акустические («традиционные») - - - + - - -

Одночастотный акустический + + + + + + +

+ — извещатель выполняет задачу обнаружения; - — извещатель не выполняет задачу обнаружения;

± — извещатель выполняет задачу обнаружения при определённых условиях

Анализируя таблицу можно сделать вывод, что из широко применяемых в настоящее время извещателей ни один не может одновременно контролировать как открывание подвижных конструкций охраняемого объекта, так и разрушение какой-то части строительной конструкции объекта. Кроме того, большинство извещателей регистрируют факт проникновения на объект (в помещение) по косвенным признакам и не дают ответа на вопрос, произошло ли проникновение на самом деле, что является их недостатком.

Одночастотный акустический извещатель, работающий по принципу возникновения положительной обратной связи, может обнаружить факт проникновения в охраняемое помещение любым из указанных выше способов. В этом извещателе вывод о проникновении осуществляется по прямому признаку — нарушению целостности (герметичности) строительной конструкции объекта.

Схема электрическая принципиальная и основные характеристики извеща-теля. На основании структурной схемы (рис. 2) была разработана схема электрическая принципиальная одночастотного акустического извещателя с положительной обратной связью (рис. 3).

Рис. 3. Схема электрическая принципиальная одночастотного акустического извещателя с положительной обратной связью

На входе извещателя включен микрофон ВМ1. На операционном усилителе DA1 собран полосовой фильтр. Он обладает следующими характеристиками: средняя частота составляет 16 кГц, коэффициент усиления — 1000, полоса пропускания — 800 Гц. На операционном усилителе DA2 и транзисторах VT3, VT4 собран усилитель с регулируемым коэффициентом усиления, который изменяется от 2 до 20 раз. Это необходимо для настройки чувствительности извещателя после установки его на объекте. С выхода усилителя сигнал поступает на излучатель, в качестве которого используется электродинамический громкоговоритель ВА1. С выхода усилителя сигнал также поступает на детектор, фильтр нижних частот и пороговое устройство, выполненные на диодах VD1, VD2 и транзисторах VT1, VT2.

Ток, потребляемый извещателем в дежурном режиме, составляет 6 мА от источника питания минус 15 В и 8 мА от источника 15 В. Ток, потребляемый извещателем в режиме тревоги, не превышает 260 мА от каждого источника.

Заключение. Исследование характеристик одночастотного акустического извеща-теля показало, что этот извещатель является универсальным и может применяться для блокировки любых элементов строительных конструкций охраняемых объектов. Одночастот-ный акустический извещатель обнаруживает проникновение по прямому признаку — нарушению герметичности (целостности) охраняемого объекта, в результате чего в извещателе возникает положительная обратная связь и устанавливаются незатухающие колебания. В этом и заключаются его преимущества перед другими видами извещателей.

Таким образом, проведенное исследование говорит о перспективности одноча-стотного акустического извещателя и необходимости его дальнейшего исследования и совершенствования, например в части улучшения энергетических характеристик.

ЛИТЕРАТУРА

1. Список технических средств безопасности, удовлетворяющих «Единым техническим требованиям к системам централизованного наблюдения, предназначенным для применения в подразделениях вневедомственной охраны» и «Единым техническим требованиям к объектовым подсистемам охраны, предназначенным для применения в подразделениях вневедомственной охраны». — М., 2015.

2. ГОСТ Р 52551-2006. Системы охраны и безопасности. Термины и определения.

3. ГОСТ 52435-2005. Технические средства охранной сигнализации. Классификация. Общие технические требования и методы испытаний.

4. Технические средства обнаружения проникновения и угроз различных видов. Особенности выбора, эксплуатации и применения в зависимости от степени важности и опасности объектов. Рекомендации (Р 78.36.028-2012). — М. : НИЦ «Охрана», 2012. — 359 с.

5. Ботнев В. Н., Судаков С. С. Характеристики информационной системы с обратной связью // Сборник научных трудов МЭИ. — М. : МЭИ, 1974. — Вып. 193. — С. 132—135.

6. Шепитько Г. Е., Быстров С. Т. Чувствительность информационной системы с обратной связью в недовозбуждённом режиме // Сборник научных трудов МЭИ. — М. : МЭИ, 1979. — Вып. 418. — С. 105—108.

7. Ботнев В. Н., Груша С. А. Чувствительность информационной системы с обратной связью // Сборник научных трудов МЭИ.— М. : МЭИ, 1980. — Вып. 463. — C. 19—23.

8. Шепитько Г. Е. Адаптивные охранные извещатели : обзорная информация.

— М. : ГНИЦУИ, 1985. — 32 с.

9. Медведев И. И. Акустический «извещатель» // Радио. — 2000. — № 8.

— C. 33—34.

10. Медведев И. И. Электретный микрофон в акустическом извещателе // Радио.

— 2003. — № 3. — С. 14.

11. Медведев И.И. Одночастотный акустический извещатель // Охрана, безопасность, связь — 2014 : материалы международной научно-практической конференции. Часть 2. — Воронеж : Воронежский институт МВД России, 2015. — С. 24—27.

REFERENCES

1. Spisok tehnicheskih sredstv bezopasnosti, udovletvoryayuschih «Edinyim teh-nicheskim trebovaniyam k sistemam tsentralizovannogo nablyudeniya, prednaznachennyim dlya primeneniya v podrazdeleniyah vnevedomstvennoy ohranyi» i «Edinyim tehnicheskim trebovaniyam k obyektovyim podsistemam ohranyi, prednaznachennyim dlya primeneniya v podrazdeleniyah vnevedomstvennoy ohranyi». — M., 2015.

2. GOST R 52551-2006. Sistemyi ohranyi i bezopasnosti. Terminyi i opredeleniya.

3. GOST 52435-2005. Tehnicheskie sredstva ohrannoy signalizatsii. Klassifikatsiya. Obschie tehnicheskie trebovaniya i metodyi ispyitaniy.

4. Tehnicheskie sredstva obnarujeniya proniknoveniya i ugroz razlichnyih vidov. Oso-ben-nosti vyibora, ekspluatatsii i primeneniya v zavisimosti ot stepeni vajnosti i opasnosti oby-ektov. Rekomendatsii (R 78.36.028-2012). — M. : NITS «Ohrana», 2012. — 359 s.

5. Botnev V. N., Sudakov S. S. Harakteristiki informatsionnoy sistemyi s obratnoy svyazyu // Sbornik nauchnyih trudov MEI. — M. : MEI, 1974. — Vyip. 193. — S. 132—135.

6. Shepitko G. E., Byistrov S. T. CHuvstvitelnost informatsionnoy sistemyi s obratnoy svyazyu v nedovozbujdёnnom rejime // Sbornik nauchnyih trudov MEI. — M. : MEI, 1979. — Vyip. 418. — S. 105—108.

7. Botnev V. N., Grusha S. A. CHuvstvitelnost informatsionnoy sistemyi s obratnoy svyazyu // Sbornik nauchnyih trudov MEI.— M. : MEI, 1980. — Vyip. 463. — C. 19—23.

8. SHepitko G. E. Adaptivnyie ohrannyie izveschateli : obzornaya informatsiya. — M. : GNITSUI, 1985. — 32 s.

9. Medvedev I. I. Akusticheskiy «izveschatel» // Radio. — 2000. — № 8. — C. 33—34.

10. Medvedev I. I. Elektretnyiy mikrofon v akusticheskom izveschatele // Radio. — 2003. — № 3. — S. 14.

11. Medvedev I.I. Odnochastotnyiy akusticheskiy izveschatel // Ohrana, bezopasnost, svyaz — 2014 : materialyi mejdunarodnoy nauchno-prakticheskoy konferentsii. CHast 2. — Voronej : Voronejskiy institut MVD Rossii, 2015. — S. 24—27.

СВЕДЕНИЯ ОБ АВТОРАХ

Медведев Игорь Иванович. Доцент кафедры радиотехники и электроники. Кандидат технических наук, доцент.

Воронежский институт МВД России.

E-mail: medigor@mail.ru

Россия, 394065, Воронеж, проспект Патриотов, 53. Тел. (473) 200-52-21.

Никулин Сергей Сергеевич. Доцент кафедры радиотехники и электроники. Кандидат технических наук.

Воронежский институт МВД России.

E-mail: nikcc@mail.ru

Россия, 394065, Воронеж, проспект Патриотов, 53. Тел (473) 200-5257.

Medvedev Igor Ivanovich. Assistant Professor of the chair of of Radio Engineering and Electronics. Candidate of Technical Sciences, Associate Professor.

Voronezh Institute of the Ministry of the Interior of Russia.

Work address: Russia, 394065, Voronezh, Prospect Patriotov, 53. Tel. (473) 200-52-21.

Nikulin Sergey Sergeyevich. Assistant Professor of the chair of Radio Engineering and Electronics. Candidate of Technical Sciences.

Voronezh Institute of the Ministry of the Interior of Russia.

E-mail: nikcc@mail.ru

Work address: Russia, 394065, Voronezh, Prospect Patriotov, 53. Tel (473) 200-5257.

Ключевые слова: извещатель; одночастотный акустический извещатель; положительная обратная связь; системы охраны; охраняемый объект; проникновение; технические средства охранной сигнализации.

Key words: the detector; single-frequency acoustic detector; positive feedback; security system; protected object; penetration; technical means of security alarm.

УДК 681.586.4