Принцип образования акустических волн. Виброакустическая информация

МИНИСТЕРСТВО ВНУТРЕННИХ ДЕЛ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Воронежский институт МВД России

Кафедра информационной безопасности

 

КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА

по дисциплине:

 «Источники и каналы утечки информации»

 

 

на тему: «Принцип образования акустических волн. Виброакустическая информация. Принципы образования и распространения упругих волн в твердых телах»

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Воронеж  2013

СОДЕРЖАНИЕ

 

Введение………………………………………………………………………3

1 Принцип образования  акустических волн……………………………….5

   1.1Основные характеристики и типы волн………………………………5

   1.2 Акустические волны и принцип их образования……………………6

   1.3 Акустический канал утечки информации……………………………13

2 Виброакустическая информация. Принципы образования и 

распространения упругих волн в твердых телах………………………………16

   2.1 Виброакустическая информация……………………………………16

   2.2 Принципы образования и распространения упругих волн в

твердых телах………………………………………………………………………17

       2.2.1 Основные величины и уравнения………………………………18

      2.2.2 Волновое уравнение. Скорость L и T волн……………………21

Заключение………………………………………………………………….25

Список использованных источников……………………………………….27

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ВВЕДЕНИЕ

 

Волновые процессы чрезвычайно широко распространены в природе. С колебаниями и волнами человек встречается постоянно. Существует большое многообразие волновых процессов: волны, порождаемые землетрясениями, звуковые волны, распространяющиеся в воздухе, волны механических колебаний в натянутых струнах музыкальных инструментов или в кристаллах кварца, используемые для стабилизации частоты радиопередатчика, электромагнитные волны, излучаемые антенной, и многие-многие другие.

В природе существует два вида волн: упругие (акустические) и электромагнитные. Упругие волны распространяются в веществе: газе, жидкости или твердом теле. Электромагнитные волны не нуждаются в каком-либо веществе для своего распространения.

Акустические волны звукового диапазона существенно расширяют информационные возможности человека, позволяют ориентироваться ему в пространстве.

Обеспечение акустической непроницаемости защищаемых помещений остается по сей день одним из наиболее актуальных направлений в области защиты информации от утечки по техническим каналам. Акустические волны, которые создаются человеческой речью, воздействуют на ограждающие конструкции помещения (перегородки, стены, перекрытия, окна, двери) и инженерные системы (трубопроводы), передавая им часть своей энергии. Возникающие в конструкциях колебания, несмотря на свою слабость, могут быть приняты и усилены специальными приборами. Кроме того, в защищаемом помещении могут быть воздуховоды, вентиляционные шахты, печи, камины либо другие подобные системы, являющие собой акустическую «дыру», через которую речевая информация также может уходить за пределы помещения.

Необходимость проведения мероприятий по защите помещений от утечки речевой информации через виброакустические каналы регламентирована рядом нормативных и регулирующих документов. Существующие в этой области требования адресованы в первую очередь к информации, относящейся к разряду государственной тайны. Однако актуальность обозначенной проблемы вовсе не снижается, если речь идет о любой другой конфиденциальной информации, просто требования становятся рекомендациями.

Работа состоит из введения, двух глав основной части, заключения и списка используемой литературы.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 ПРИНЦИП  ОБРАЗОВАНИЯ  АКУСТИЧЕСКИХ  ВОЛН

1.1 Основные характеристики и типы волн

 

 

 Волной называется любое изменение (возмущение) состояния среды, распространяющееся с конечной скоростью и несущее энергию. Волна распространяется только в веществе. В вакууме (пустоте) волн нет [7, с.5].

Важнейшей характеристикой волны является ее скорость. Волны любой природы не распространяются в пространстве мгновенно. Их скорость конечна. Т.е. волна распространяется от одной точки к другой за определённое время с конечной скоростью.

Скорость волны равна произведению длины волны на частоту колебаний.

       c = λ v,                                                                                                      (1)

где λ - длина волны;

       v – частота  колебаний.

При распространении механической волны движение передается от одного участка тела к другому. С передачей движения связана передача энергии. Основное свойство всех волн независимо от их природы состоит в переносе ими энергии без переноса вещества. Энергия поступает от источника, возбуждающего колебания, например, начала шнура, струны и т.д., и распространяется вместе с волной. Так, волны расходятся от камня, брошенного в пруд, и представляют собой колебания уровня воды, расходящиеся от места падения концентрическими кругами [6, с.21-23].

  Величина энергии, переносимой волной, может меняться в широких пределах. Так, плотность потока мощности электромагнитного поля, создаваемого лазером, может составлять до1010 Вт/м2 вблизи электрического пробоя воздуха. Мощность же звуковых волн человеческого голоса очень незначительна. Например, интенсивность звуковых волн на пороге слышимости их человеком на частоте f=1кГц составляет всего 10-12 Вт/м2 [7, с.9].

Все волны можно разделить на два типа: упругие и электромагнитные.     Электромагнитные волны (электромагнитное излучение) представляют собой распространение электромагнитных полей в пространстве и времени.

Электромагнитные волны излучаются колеблющимися зарядами. При этом существенно, что скорость движения таких зарядов меняется со временем, т. е. что они движутся с ускорением. Наличие ускорения - главное условие излучения электромагнитных волн. Электромагнитное поле излучается заметным образом не только при колебаниях заряда, но и при любом быстром изменении его скорости. Интенсивность излученной волны тем больше, чем больше ускорение, с которым движется заряд.

Акустические (упругие) волны – это волны, связанные с колебаниями частиц при механической деформации упругой среды. При этом имеет место перенос энергии упругой деформации при отсутствии переноса вещества. Примером акустических волн являются звуковые волны, представляющие собой чередующиеся области повышенного и пониженного давления воздуха, расходящиеся от источника звука [6, с.25].

  Скорость электромагнитных волн очень велика и в вакууме равна 3.108 м/с. Скорость акустических волн на несколько порядков меньше. Например,  звуковые волны распространяются в сухом воздухе при температуре t=00 С со скоростью 331м/с [7, с.10].

 

1.2 Акустические волны и принцип их образования

 

Акустические волны могут существовать как в твердой, так и в жидкой и газообразной средах, причем в технике широко используются акустические волны во всех типах материальных сред.

В акустической волне частицы среды совершают колебания вокруг точки покоя. Волна, у которой вектор колебательной скорости параллелен направлению распространения, называется продольной волной. Данные волны образуются при механическом воздействии внешних сил, но распространяются они по всему объёму вещества. Наблюдать продольные акустические волны невозможно. Их можно только регистрировать.

Волновой процесс продольных акустических волн связан с молекулярным взаимодействием. От механического воздействия внешних сил молекулы жидкости давят на соседние молекулы, и за счёт упругости среды это воздействие передаётся всем соседним молекулам, которое приобретает характер распространения [2, с.98-100].

Если невозмущенную среду представить в виде регулярной структуры (рис. 1, а), то в случае продольной волны области сжатия и разрежения будут чередоваться вдоль направления распространения волны (рис. 1, б). Частицы среды колеблются в направлении, совпадающем с направлением распространения волны. Примером продольной волны можно считать звуковую волну, расходящуюся от акустической системы усилителя звуковых частот.

 

Рисунок -1  Невозмущенная среда (а), среда с продольной упругой волной (б), среда со сдвиговой упругой волной (в)

 

Таким образом, продольные акустические волны представляют собой колебательный процесс атомов и молекул вещества - вперёд и назад по направлению распространения волны. Направление распространения волн можно задавать с помощью определённой конструкции передающей антенны.

Если частицы среды под действием волновой энергии совершают колебания в направлении, перпендикулярном распространению волны, такая волна называется поперечной или сдвиговой (рис.1, в). Колебание струны можно рассматривать как стоячую поперечную волну [7, с.5-6].

Поперечные волны могут появиться только на поверхности жидкости.  Данные волны можно и наблюдать, и регистрировать. Видим мы их только на поверхности океанов, морей, озёр, рек и т.д. Процесс поперечных волн связан помимо молекулярного взаимодействия, также и с гравитационным притяжением к Земле. От механического воздействия внешних сил молекулы жидкости передвигаются вверх и вниз (колебание относительно поверхности). Этот колебательный процесс распространяется по цепочке к следующим молекулам. Таким образом, поперечные волны представляют собой колебательный процесс атомов и молекул относительно поверхности, и который распространяется во всех направлениях [6, с.30].

Энергия акустической волны состоит из двух видов энергии: кинетической и потенциальной. Кинетическая энергия запасается в движущихся частицах среды. Потенциальная энергия (энергия упругой деформации) определяется максимальным смещением колеблющихся частиц среды относительно положения равновесия и связана с силой, приложенной для перемещения частиц среды. Наглядная модель для данного случая – растянутая или сжатая пружина.

Самыми распространенными источниками акустических волн являются колеблющиеся тела. Колеблющиеся тела (например, мембрана) перемещают прилегающие к ним частицы газа или жидкости, «выталкивая» их в окружающую среду в положительный полупериод колебания и «втягивая» их из окружающей среды в отрицательный полупериод колебаний. При медленных колебаниях тел этим почти все и ограничивается. Однако даже при сравнительно медленных колебаниях тела (очень низких частотах) часть энергии идет на излучение звука, т.е. на совершение сжатий и разряжений, на изменение плотности среды благодаря ее сжимаемости. Эти изменения плотности «отпочковываются» от колеблющегося тела и распространяются далее в виде упругих волн. С повышением частоты эффективность излучения звука увеличивается, в то время как эффект «выталкивания» и «втягивания» частиц среды ослабевает. При определенных условиях большая часть механической энергии колеблющегося тела превращается в энергию распространяющейся звуковой волны [2, с.111].

Акустические и электромагнитные волны, распространяющиеся в различных средах и устройствах, подчиняются единым волновым законам. Это явления возбуждения волн конкретными источниками, отражения и преломления волн на границе раздела сред, рассеяние на неоднородностях, рефракция (искривление траектории распространения волн), поглощение энергии, интерференция.

Распространение волн любой природы легко понять и объяснить, если обратиться к принципу Гюйгенса: каждая точка среды, вовлеченная в волновое движение, становится источником новой волны, называемой элементарной волной. Наблюдаемый волновой фронт представляет собой результат сложения множества элементарных волн (рис. 2). Принцип Гюйгенса справедлив для всех видов волн, в том числе для акустических и электромагнитных.

 

Рисунок 2 - Положение фронта волны в разные моменты времени,

определяемое на основе принципа Гюйгенса

 

Направление распространения волны обычно называют лучом. Волновой фронт перпендикулярен лучу. У цилиндрических и сферических волн, распространяющихся от источника возбуждения, лучи направлены радиально, а волновые фронты представляют собой соответственно цилиндры или сферы (рис.3, а). В случае плоского или удаленного источника возникают плоские волны. В них лучи параллельны, а волновые фронты представляют собой плоскости (рис.3, б).

Рисунок 3 - Волновые фронты и лучи в радиально распространяющейся волне (а) и плоской волне (б)

 

Если на пути распространения волны встречается граница со средой, свойства которой отличаются от свойств среды распространения, наблюдается эффект частичного или полного отражения, а также частичного (а в некоторых случаях и полного) прохождения во вторую среду. Поскольку фронт волны перпендикулярен направлению распространения волны в однородной среде, то из простых геометрических построений доказывается равенство углов падения и отражения волн (рис. 4). Однако в отличие от электромагнитных волн для акустических в ряде случаев может наблюдаться эффект расщепления волн и появление волнового луча, отраженного под другим углом.

 

Рисунок 4 - Отражение плоской волны на границе раздела сред

Направление распространения преломленных волн зависит от соотношения скорости распространения волн в первой и второй средах (рис. 5).

Рисунок 5 - Преломление плоской волны на границе раздела сред

 

Если свойства среды, влияющие на скорость распространения волны, меняются, то может наблюдаться такое явление, как рефракция. Рефракцией называется искривление траектории распространения волны в неоднородной среде.

Если на пути распространения волны встречается какое-либо тело, то это приводит к нарушению структуры поля. Например, наблюдается эффект огибания волнами препятствия. В физике подобное явление называют дифракцией. Возникающая при этом картина поля существенно зависит от соотношения размеров препятствий и длины волны. На рис. 6 показано, как меняется структура поля плоской волны, «просачивающейся» через отверстие малых размеров.

Рисунок 6 - Дифракция плоской волны на отверстии малых размеров

Возникновение дополнительных акустических полей в результате дифракции соответствующих волн на препятствиях, помещенных в среду, на неоднородностях среды, а также на неровных и неоднородных границах сред, называется рассеянием волн. При рассеянии результирующее поле можно представить в виде суммы первичной волны, существовавшей в отсутствие препятствий, и рассеянной (вторичной) волны, возникшей в результате взаимодействия первичной волны с препятствиями. Если препятствий много, то общая картина поля образуется суммированием повторно и многократно рассеянных волн.