Mejorar los principios metodológicos para evaluar la seguridad de las instalaciones frente a la fuga de información del habla.

Mejorar los principios metodológicos para evaluar la seguridad de las instalaciones desde fuga de información del habla.

Mejora de los principios metodológicos para evaluar la seguridad de las instalaciones frente a la fuga de información del habla.

Mejorar los principios metodológicos para evaluar la seguridad de las instalaciones frente a la fuga de información de voz.

Candidato a Técnico Ciencias
. L. Kargashin
Equipo especial, No. 6, 2001

Al realizar trabajos prácticos para proteger canales vibroacústicos contra la fuga de información de voz desde las instalaciones, se debe prestar mucha atención a la validez de los requisitos para el nivel integral de interferencia de enmascaramiento generada especialmente. Como regla general, la protección garantizada no se puede garantizar implementando únicamente medidas de protección pasiva, es decir, mejorando el aislamiento acústico y de vibraciones de las estructuras, introduciendo absorción de sonido y vibración en las rutas de fuga de las señales de voz. En tales situaciones, es necesario utilizar medidas de protección activa basadas en la creación de vibraciones adicionales e interferencias acústicas en los canales de fuga de información. Al mismo tiempo, se genera ruido acústico colateral en los locales protegidos y adyacentes, que pueden clasificarse como factores que interfieren en el trabajo normal del personal en los locales [1]. A pesar de que la aparición de este tipo de ruido es un precio razonable a pagar por la protección, objetivamente crea condiciones de trabajo anormales para los empleados desde el punto de vista del saneamiento industrial. En consecuencia, reducir el nivel integral de ruido acústico incidental al realizar medidas de protección activa en canales vibroacústicos es una tarea importante de las medidas de protección, ya que con un alto nivel de ruido acústico incidental no se excluyen situaciones en las que la protección activa se utilizará solo en casos excepcionales. casos desde el punto de vista del interés de la persona protegida, restando eficacia a las actividades realizadas.

El indicador de seguridad de los canales de fuga vibroacústica basado en la inteligibilidad estimada del habla, propuesto en [2], ofrece oportunidades significativamente mayores para desarrollar requisitos para medidas de protección pasiva y activa que el indicador tradicional de la relación señal-interferencia. Esto se debe al hecho de que la inteligibilidad del habla estimada es un funcional cuyo valor puede optimizarse según varios criterios aceptables por razones prácticas.

El funcional es una suma ponderada del argumento, que por la inteligibilidad de formantes tiene la siguiente forma [3 ]:

,

donde  — límites superior e inferior de frecuencias del rango del habla,  — distribución de formantes en el rango de frecuencia, por lo tanto,  como densidad de distribución,  — el nivel de sensación de formante, que está determinado por la relación señal/ruido,  — coeficiente de percepción de formantes, que no depende de la frecuencia, sino sólo de la relación señal-ruido.

El nivel de percepción de formantes está determinado por la expresión:

,

dónde  — espectro de la señal del habla,  — relación de espectros de voz y formantes,  — espectro de interferencia.

En problemas prácticos, el nivel de sensación de formante se calcula en función de la magnitud de las señales y de la interferencia en dB, lo que no cambia la posibilidad de optimizar la funcionalidad para ninguno de los parámetros.

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Por tanto, la inteligibilidad de formantes es una integral de la función de frecuencia dentro de límites limitados, lo que permite resolver problemas de optimización de la inteligibilidad según varios criterios. La tarea práctica más comprensible que se puede plantear a la hora de aplicar medidas de protección se formula como la búsqueda del espectro de interferencias , asegurando que el valor de inteligibilidad no sea mayor que el estándar especificado  con una potencia de interferencia integral mínima en todo el rango de frecuencia . En otras palabras, un determinado grado de protección de la información de voz en términos de inteligibilidad de formantes de voz se puede lograr mediante interferencia con diferentes niveles de espectro y potencia, incluido un nivel integral mínimo. La capacidad de implementar protección mediante interferencias con un nivel mínimo permite garantizar efectos secundarios mínimos de las interferencias especiales de enmascaramiento en los humanos, es decir, maximizar la comodidad del trabajo combinada con la seguridad. Además, la solución óptima significa que para algún caso específico esta solución es la única. La tarea en sí se puede ampliar teniendo en cuenta las características de frecuencia de la atenuación de la señal de voz y la interferencia hasta el punto de instalación del emisor de interferencia y de regreso a las instalaciones protegidas o adyacentes. A efectos de la protección pasiva, es posible una optimización, por ejemplo, proporcionando protección con una atenuación integral mínima en la banda de frecuencia de la señal de voz.

Es evidente que la solución completa del problema planteado por los métodos del cálculo de variaciones es bastante difícil si se opera con los espectros de señales y ruido, además de calcular la inteligibilidad mediante la fórmula integral. En este sentido, en la práctica, la integral se reemplaza por una suma ponderada y todos los cálculos se realizan en bandas de frecuencia estándar. Tenga en cuenta que en [3] se propuso utilizar 20 bandas de frecuencia, en cada una de las cuales se cumple la condición se cumple , donde  — límites superior e inferior iº rango de frecuencia. Dado que la distribución de los formantes en el rango de frecuencia es desigual, una distribución de inteligibilidad igualmente articulatoria conduce a límites de bandas de frecuencia que difieren significativamente de las estándar. Como regla general, todas las mediciones en acústica se realizan en bandas de frecuencia de octava o de un tercio de octava, pero en [2] se propuso, por el contrario, elegir límites de frecuencia estándar para obtener diferentes pesos de formantes en todo el espectro del habla. Así, el cálculo de la inteligibilidad del habla formante se realiza mediante la siguiente fórmula:

,

dónde  — contribución del peso de la banda de frecuencia correspondiente a la inteligibilidad, y ,  — coeficiente de percepción de formantes, que se puede expresar en función de los niveles de señal e interferencia medidos en bandas de frecuencia, y estos niveles se pueden medir en dB, como es habitual en acústica,  — número de banda de frecuencia estándar,  — el número de bandas de frecuencia estándar tomadas en cuenta en los cálculos (5 en el análisis de octava recomendado en [2]).

Dado que la funcional o su aproximación son funciones continuas de los niveles de señal y ruido, el valor estándar del indicador de protección, estrictamente hablando, puede ser bastante arbitrario en el marco de las aproximaciones de las funciones utilizadas. La técnica propuesta en [2] es lo suficientemente compleja analíticamente como para usarse incluso para un número limitado de bandas de frecuencia. Dado que el desarrollo de normas es un procedimiento formal y la base teórica y experimental para la aparición de ciertas relaciones entre los valores medidos no es esencial para el consumidor, son posibles métodos más simples para calcular la inteligibilidad de los formantes, que conducen formalmente al logro de la protección. requisitos, pero debido a la simplicidad del cálculo, permiten obtener métodos visuales que solucionan el problema de protección, incluyendo su optimización.

Desde esta perspectiva, consideremos la metodología para calcular un parámetro similar adoptada en los EE.UU. [4]. La inteligibilidad de los formantes se denomina índice de articulación, y la formalización del cálculo es tan grande que no es posible determinar la base física visual de los métodos de cálculo aceptados. El indicador estándar se evalúa en función de los resultados de las mediciones de señal y ruido en bandas de frecuencia de un tercio de octava, pero también se puede utilizar el análisis de octava.

La esencia de la técnica es la siguiente. El nivel de la señal de voz es 12 dB mayor que el nivel de voz promedio. Los valores de la relación señal-ruido se miden en bandas de frecuencia de octava o de tercio de octava DIFFi en dB. SiDIFFi ? 30, entonces DIFFi = 30 dB, si DIFFi ? 0, entonces DIFFi = 0. Las diferencias resultantes se multiplican por coeficientes de ponderación dependientes de la frecuencia WFi, lo que da el valor del índice de articulación por bandas de frecuencia:

.

Se calcula el índice de articulación total por la fórmula:

.

El valor resultante es un indicador funcionalmente relacionado con la inteligibilidad del habla y se puede utilizar para estandarizar diversas tareas, en particular para evaluar la calidad de las rutas del sonido.

Los valores de los niveles de la señal de voz a una distancia de 1 metro de la fuente y los coeficientes de ponderación se dan en la Tabla 1. A modo de comparación, allí también se dan indicadores similares para el método [2], y los niveles de voz según El estándar estadounidense se reduce en 12 dB a modo de comparación. La Tabla 1 también muestra las contribuciones de peso relativo de las bandas de frecuencia de octava, calculadas usando la fórmula , que son esencialmente equivalentes a las contribuciones de peso de formantes.

Tabla 1

Frecuencia media geométrica de la banda de octava, Hz	250	500	1000	2000	4000
Nivel medio de señal de voz (EE.UU.), dB	60	61	66	51	46
Nivel medio de señal de voz (Rusia), dB	66	66	61	56	53
Factor de ponderación (EE. UU.)	18	50	75	107	83
Ponderación relativa (EE.UU.)	0,054	0,15	0,225	0,321	0.249
Coeficiente de ponderación relativa (Rusia)	0.03	0,12	0,2	0,3	0,26

Se llama la atención sobre la diferencia significativa en los espectros del habla promedio, que probablemente no se debe a diferencias reales en los espectros, sino a los aumentos inherentes a ellos, correspondientes a los nacionales. concepto del parámetro formante del habla. Lo más interesante es que la suma de los coeficientes relativos del estándar americano es 0,999, es decir, prácticamente 1, y para el doméstico es igual a 0,91. La igualdad imprecisa de esta suma 1 para ambos estándares es desconcertante, ya que fundamentalmente no permite obtener una inteligibilidad total del habla con un exceso significativo de señal sobre ruido. La pérdida del 9% de inteligibilidad en el método doméstico se debe a que el cálculo no incluye la banda de 8000 octavas.Hz Aparentemente, esta banda de frecuencia en el estándar americano se tiene en cuenta pesando formalmente adicionalmente todos los coeficientes.

Para comparar los dos métodos, se llevaron a cabo cálculos de inteligibilidad del habla y del índice de articulación dependiendo de la relación señal-interferencia. relación para 5 tipos de espectros de interferencia. El ruido considerado como interferencia fue el “ruido blanco”, el “ruido rosa”, ruido cuyo espectro disminuye 3 dB al aumentar la frecuencia, y dos tipos de ruido con espectro desigual, cuyos niveles de octava cambian en 10dB en bandas de octava adyacentes. Los espectros de la interferencia considerada para un nivel total de 30 dB se muestran en la Figura 1.

Fig. 1. Espectros de ruido

La dependencia de la inteligibilidad del habla y el índice de articulación de la relación señal/ruido se muestra en la Figura 2.

Fig. 2. Dependencia de la inteligibilidad del habla y el índice de articulación de la relación señal-ruido

Un análisis de las dependencias entre la inteligibilidad del habla y el índice articulatorio muestra que el habla inglesa es, por así decirlo, más inteligible que el ruso, mientras que los gráficos de inteligibilidad silábica y verbal dados en [2] muestran que, por el contrario, el habla inglesa es menos inteligible que el ruso. Esta contradicción se debe al abandono en la técnica doméstica de la banda de octava 8kHz, lo que reduce la inteligibilidad del habla. Dado que se propone la metodología [2] para evaluar el grado de seguridad de la información de voz, se introduce de antemano en el estándar un cierto grado de debilitamiento de la seguridad, lo que refleja de manera inadecuada no solo el aspecto formal de la evaluación de la seguridad, sino también su insuficiencia real. en situaciones específicas. Por lo tanto, la técnica [2] debe complementarse con coeficientes apropiados que permitan calcular la inteligibilidad del habla teniendo en cuenta la banda de octava 8 kHz, asegurando la total adecuación de la técnica en el caso de una gran señal a- relación de ruido.

Si en el método [2] se tiene en cuenta la banda de frecuencia de octava 8kHz, entonces las diferencias en inteligibilidad e índice de articulación del estándar estadounidense se vuelven prácticamente insignificantes. La Figura 3 muestra los errores calculados  entre los valores de inteligibilidad del habla para la técnica sin y teniendo en cuenta la banda de octava 8 kHz e índice de articulación dependiendo de la relación señal-ruido para los tipos de interferencia discutidos anteriormente.

Fig. 3. Errores en el cálculo de la inteligibilidad

De los cálculos de errores anteriores se deduce que obviamente hay una reducción significativa en el error en la estimación de la inteligibilidad para el cálculo corregido de la inteligibilidad de los formantes en comparación con el método que tiene en cuenta solo cuenta 5bandas de frecuencia de octava. Esta reducción se produce para todos los tipos de espectros de interferencia. La Tabla 2 muestra los errores cuadráticos medios para todas las relaciones señal-ruido utilizadas en los cálculos.

Tabla 2

Tipo de ruido	Rosa	Blanco	Reducción de 3 dB	Ruido No. 1	Ruido No. 2
Cálculo por 5 franjas, %	8,47	8,41	8,92	9,14	8.0
Cálculo en 6 franjas, %	«MsoNormal» style=»TEXT-ALIGN: center» align=»center»>3.06	1,91	4.19	4,19	2,22

De los cálculos proporcionados en la Tabla 2 se deduce que para un cálculo refinado de inteligibilidad del habla que tiene en cuenta 6bandas de frecuencia de análisis, el error al evaluar la inteligibilidad es significativamente menor en promedio en una amplia gama de cambios en la relación señal-ruido y varios tipos de espectros de interferencia. En consecuencia, para una evaluación más fiable de la seguridad de las instalaciones en términos de inteligibilidad del habla, es necesario realizar cálculos teniendo en cuenta la banda de frecuencia de octava con una frecuencia media geométrica de 8kHz y su ausencia. en el método [2] es infundado.

También surge una pregunta completamente lógica sobre la elección de una resolución de frecuencia aceptable para analizar señales y interferencias para calcular la inteligibilidad del habla. Desde el punto de vista del posible impacto de los métodos de filtrado lineal en la mezcla de señal e interferencia, para seleccionar bandas de frecuencia con una mayor relación señal/interferencia, también se deben tomar medidas de protección teniendo en cuenta la resolución de frecuencia máxima, que permite más para reflejar adecuadamente la situación del control encubierto, principalmente en condiciones de operación interferencia con un espectro desigual en todo el rango de frecuencia. En realidad, cuando se llevan a cabo medidas de protección, se utilizan equipos de medición estándar, mientras que las medidas de control encubiertas implican el uso de equipos de monitoreo más avanzados, incluido el parámetro de resolución de frecuencia. Cabe señalar que en el campo de la acústica y la vibrometría de la construcción existe una tendencia obvia a analizar las señales vibroacústicas y las interferencias en bandas de frecuencia más estrechas que las de octava, lo que se explica por las capacidades de la tecnología moderna de materiales de construcción en el campo del aislamiento acústico y absorción acústica y aislamiento de vibraciones y absorción de vibraciones para crear materiales con propiedades resonantes

.Al evaluar el grado de seguridad en términos de inteligibilidad del habla en bandas de frecuencia de octava, se producirá un gran error en situaciones en las que la atenuación de la señal en todo el rango de frecuencia o el espectro del ruido de enmascaramiento es desigual dentro de una resolución de frecuencia mayor. Dado que el nivel de sensación de formante en una banda de frecuencia ancha está determinado por el valor de nivel máximo en una banda de frecuencia más estrecha, calcular la inteligibilidad en una banda de frecuencia de octava dará un valor de inteligibilidad más bajo que calcular en bandas de frecuencia individuales de un tercio de octava. Si en el lado receptor hay un equipo de control secreto con la capacidad de filtrar el ruido en bandas de un tercio de octava, el valor real de la inteligibilidad del habla será mayor debido a la exclusión del análisis de las bandas de frecuencia de un tercio de octava en las que se transmite la señal. es más ruidoso.

Deje entrar el nivel de ruido total de la banda de octava está determinado por los niveles de ruido en bandas de frecuencia de un tercio de octava , por lo que . Si el nivel de ruido en una de las bandas de un tercio de octava excede los niveles en otras bandas en más de 8…10 dB, por ejemplo, la condición se cumple, luego . En consecuencia, al evaluar la seguridad utilizando el método [2], todos los cálculos de las contribuciones parciales de inteligibilidad en la banda de octava se basarán en el nivel . Mientras que, si se tiene en cuenta la irregularidad del ruido con una resolución de frecuencia de un tercio de octava, la inteligibilidad real del habla en dos bandas de un tercio de octava será mayor. Basta filtrar una banda de un tercio de octava con el nivel máximo de ruido en el lado receptor, y la inteligibilidad del habla en el canal de fuga será mayor que la estimada utilizando el método propuesto en [2]. Por lo tanto, esta técnica tiene un inconveniente importante y debe ajustarse teniendo en cuenta las capacidades de análisis de señales y ruido en bandas de frecuencia mayores que las de octava.

En la actualidad, cuando las capacidades técnicas de los equipos para medir señales acústicas y de vibración permiten el análisis en bandas de frecuencia más estrechas que las de octava, es necesario que los métodos para evaluar la seguridad de la información del habla incluyan la capacidad de calcular la inteligibilidad del habla en un tercio de octava. bandas de frecuencia.

Actualmente, el mercado de tecnologías de seguridad ofrece herramientas para evaluar la calidad de las trayectorias vibroacústicas, que se basan en los principios de evaluación del indicador estándar en forma de inteligibilidad del habla. Obviamente, se debe dar preferencia a aquellos medios técnicos que no solo permitan evaluar el parámetro normativo propuesto en [2], sino que también realicen todos los procedimientos de cálculo adicionalmente en bandas de frecuencia de un tercio de octava, y también amplíen el análisis de señales y ruido a la banda de octava 8kHz. Además, para utilizar la protección activa, también se necesitan generadores de interferencias vibroacústicas, que le permiten configurar el espectro de interferencia requerido en bandas de frecuencia con una resolución de al menos un tercio de octava. En este caso, la protección se puede optimizar en términos del nivel de ruido acústico molesto no deseado.

Por lo tanto, al desarrollar la metodología para evaluar la protección de las instalaciones contra la fuga de información de voz a través de canales vibroacústicos, es necesario mejorar los criterios para evaluar la inteligibilidad del habla de acuerdo con las siguientes direcciones:

— Ajuste de la metodología para tener en cuenta la banda de frecuencia de octava 8.kHz, es decir, ampliar los límites del rango de frecuencia a 6 octavas;
— desarrollo de técnicas de equipos de medición con alta resolución de frecuencia para el análisis de señales y ruido en bandas de frecuencia de un tercio de octava;
— simplificación de los métodos de cálculo en términos de aproximación de la función de percepción de formantes, que es formalmente aceptable para calcular el criterio de protección, pero más simple para cálculos prácticos.

Referencias .

1. Kargashin V.L. Problemas de protección activa de canales vibroacústicos. Tecnología especial, No. 6, 1999.
2. Zheleznyak V.K., Makarov Yu.K., Khorev A.A. Algunos enfoques metodológicos para evaluar la eficacia de la protección de la información del habla. Equipo especial, No. 4, 2000.
3. Pokrovsky N. B. Cálculo y medición de la inteligibilidad del habla. M.: Svyazizdat, 1962.
4. La ciencia y las aplicaciones de la acústica/Daniel R. Raichel. Springer-Verlag Nueva York, Inc., 2000, 598 p.