ВОПРОС 1. Принцип действия пассивных звуковых извещателей для блокировки остекленных конструкций.

Пассивный звуковой извещатель для блокировки остекленных конструкций - охранный извещатель, формирующий извещение о проникновении (попытке проникновения) при возникновении акустических волн нормированного уровня при разрушении остекленных конструкций в его зоне обнаружения.

В качестве детектора в пассивных звуковых извещателях для блокировки остекленных конструкций (далее – ДРС) используется микрофон, улавливающий колебания акустических волн в зоне обнаружения извещателя, которые затем обрабатываются электрической схемой извещателя.

Пассивные звуковые извещатели для блокировки остекленных конструкций появились сравнительно недавно и явились следствием исследований звуковых колебаний, возникающих при разбитии стекла. Несмотря на свою " молодость", извещатели прошли уже два этапа в своем развитии. Первый этап характеризовался созданием извещателей, в которых использовалась обработка акустических сигналов по двум параметрам: частоте и амплитуде (с аналоговой обработкой акустического сигнала), второй - созданием извещателей с цифровой обработкой сигналов по трем-десяти параметрам. Однако, в настоящее время широко применяются и те, и другие извещатели, что связано с тем, что одни и другие обладают как положительными так и отрицательными свойствами.

Анализ звуковых спектров промышленных шумов, акустических сигналов, возникающих при разбитии стекла, ударах по дереву, металлу и т.п. показывает, что наибольший уровень сигнала при разбитии стекла возникает на частоте около 5 кГц, в то время, как пик всех других сигналов приходится на частоты значительно ниже этой частоты.

Если рассмотреть звуковые спектры сигналов, возникающих при ударах по металлу, хлопаньях дверями, разбитии стекол, учитывая только уровень сигнала и его частотную характеристику, то они схематично будут выглядеть следующим образом:

Из приведенного рисунка видно, что спектр звукового сигнала разбития стекла имеет два пиковых значения: один пик в области низких частот (2- 10 Гц, поэтому на рисунке этот пик изображен не совсем корректно), обусловленный ударом по стеклу и второй - в районе частоты равной 5 кГц, обусловленный звуковыми колебаниями образующимися в результате разрушения структуры стекла. У различных стекол из-за особенностей структуры стекла второй пик может быть немного смещен. Например, анализ звукового спектра, записанного при разбитии двухслойного стекла покрытого пленкой американского производства показал, что пик находится на частоте 4, 26 кГц, в то же время акустический сигнал имеет относительно большую амплитуду и на частоте 5 кГц.

На вертикальной оси показан уровень звукового сигнала в относительных величинах. Так как уровень звукового сигнала зависит от силы удара, то абсолютными величинами оперировать не имеет смысла: любой звуковой сигнал имеет в своем спектре и низкочастотные и высокочастотные составляющие и чем сильнее звук, тем будет больше и величина составляющих. Например, слишком громкий сигнал, имеющий широкий звуковой спектр способен вызвать перегрузку микрофона и ложное срабатывание извещателя. Относительные величины хорошо показывают, что на определенных частотах уровни сигнала в несколько раз больше, чем на остальных.

Основываясь на этой закономерности, и разработаны простейшие пассивные звуковые извещатели для блокировки остекленных конструкций, использующие аналоговую обработку акустических сигналов, поступающих по одному каналу (2 – 10 кГц).

Принцип действия этих извещателей состоит в том, что звуковые сигналы, возникающие в охраняемом пространстве преобразуются конденсаторным микрофоном извещателя в электрические сигналы и подаются на полосовой фильтр, который пропускает только сигналы в диапазоне частот, близких к 5 кГц. После фильтра сигнал проходит через ряд преобразователей и поступает на пороговый элемент, где сравнивается с фиксированным пороговым уровнем, устанавливаемом при настройке извещателя.

Таким образом, при поступлении сигналов с частотой около 5 кГц и с амплитудой (интенсивностью), превышающей установленный порог извещатель выдает сигнал " Тревога".

Недостатком такого принципа обработки звуковых сигналов является низкая избирательность. Любой звуковой сигнал широкополосный и в нем есть составляющие с частотами 5 кГц, поэтому фильтр неизбежно пропустит их. Если звук достаточно сильный (источник звука находится рядом с извещателем), то эти составляющие при установке высокой чувствительности извещателя могут привести к его срабатыванию. Избежать этого путем увеличения порога чувствительности не всегда возможно, так как извещатель может не отреагировать на разбитие стекол малого размера, звуковые спектры которых хотя и имеют пик на частоте 5 кГц, но уровни могут оказаться ниже порога чувствительности (например, когда стекла достаточно удалены от извещателя).

Другими словами, помехоустойчивость и чувствительность у таких извещателей величины обратно зависимые и необходима высокая квалификация и опыт эксплуатации подобных извещателей, чтобы грамотно установить чувствительность извещателя. Такие извещатели уступают по параметрам помехоустойчивости извещателям с цифровой обработкой сигналов. Вместе с тем, они обладают и определенными преимуществами - для таких извещателей нет понятия минимальный размер блокируемого стекла, так как при желании можно настроить извещатель таким образом, что он будет реагировать на разбитие любого стекла, а некоторые, в которых существует регулировка полосы пропускания, на появление звука определенной громкости вообще, разумеется, в ущерб помехоустойчивости. Применение их в помещениях, где крайне мала вероятность возникновения шума, из-за своей дешевизны и универсальности может оказаться наиболее эффективным.

Простейшие пассивные звуковые извещатели для блокировки остекленных конструкций различных фирм имеют свои особенности, связанные с наличием определенных элементов, повышающих помехоустойчивость извещателей.

Так, в извещателе израильской фирмы " Visonic" " GFD-20" применен фильтр, пропускающий сигналы только с частотой около 5 кГц, в его модификации " GFD-20 AD" применен фильтр с возможностью регулировки полосы пропускания сигналов от 2 до 10 кГц. Извещатель " GBD-1" израильской фирмы " Crow" реагирует на сигналы в диапазоне от 3, 9 до 16, 7 кГц и обладает максимальной чувствительностью на частоте 5, 05 кГц.

В извещателе DG-50 канадской фирмы " DSC" для улучшения помехозащищенности используется направленный микрофон. Конструкция корпуса извещателя такова, что микрофон расположен глубоко в корпусе извещателя под углом к плоскости крепления извещателя, и перед ним образуется своеобразный рупор. Таким образом, на микрофон попадают звуковые волны из узкого пространства. Направив микрофон непосредственно на блокируемое стекло, можно избежать ложных срабатываний от звуковых колебаний, поступающих из других направлений.

Все эти особенности имеют как положительные, так и отрицательные стороны, и это надо учитывать при их применении. Например, из-за узконаправленности микрофона DG-50 возникают сложности с его установкой: не всегда имеется возможность установки извещателя на стене из-за ее удаленности, да и при наличии близко расположенной стены трудно сориентировать извещатель так, чтобы плоскость микрофона была направлена в центр блокируемого окна, а при установке на потолке в область действия извещателя могут попадать уличные источники шумов.

Извещатели, анализирующие узкий спектр звуковых колебаний, не учитывают типы блокируемых стекол, их размеры и способы крепления, поэтому их чувствительность может оказаться недостаточной для того, чтобы среагировать на разбитие определенных стекол. В то же время при применении фильтров с широкой полосой пропускания трудно добиться высокой помехоустойчивости.

Для повышения избирательности акустических извещателей разбития стекла стали разрабатываться извещатели, обрабатывающие звуковые сигналы по трем - десяти параметрам.

Спектр звуковых колебаний, возникающих при разбитии стекла, если его анализировать не только по частоте и амплитуде, а и во временном интервале, имеет следующий вид:

Из рисунка видно, что при разбитии стекла сначала появляются низкочастотные составляющие, характерные для изгиба стекла, за тем через время не большее чем 200 мсек появляются высокочастотные составляющие с пиком на частоте близкой к 5 кГц. Это общая закономерность для всех типов стекол. Причем наибольший пик на частоте 5 кГц появляется только на начальной стадии разрушения стекла, при последующих ударах по треснувшему стеклу пик высокочастотных составляющих хотя и приходится на частоты, близкие к 5 кГц, но по амплитуде значительно меньший.

Затем звуковые колебания, обусловлены падением осколков стекол на различные поверхности и несколько различаются, но эти различия укладываются в определенные алгоритмы, то есть имеют определенную закономерность. Например, большие куски витринных стекол при падении создают звуковые колебания с большой амплитудой низкочастотных составляющих, закаленные типы стекол крушатся на очень малые кусочки, не способные создать низкочастотные составляющие большой амплитуды, зато дающие большое число высокочастотных составляющих.

При разбитии больших витринных стекол время падения осколков стекла значительно больше, чем у малых стекол.

Особенностью звукового спектра разбивающегося стекла является резкое нарастание уровня звукового давления в первоначальный момент времени и затем его постепенное уменьшение - спад, поэтому такой параметр как уровень нарастания звукового давления анализируется многими типами извещателей для распознавания звуков, характерных для разбивающегося стекла.

Пассивные звуковые извещатели для блокировки остекленных конструкций, анализирующие акустические сигналы по двум каналам (НЧ, характерным для прогиба стекла при ударе по нему и ВЧ, характерным для колебаний, возникающих при крушении структуры стекла) используют как аналоговую обработку сигналов по двум каналам (FG-730), так аналоговую обработку по одному из каналов (как правило по НЧ, а ВЧ – цифровую, что характерно для подавляющего большинства извещателей) и цифровую обработку сигналов, поступающих по обоим каналам (FG 1015, FG 1025, Шкло-У).

Пассивные звуковые извещатели для блокировки остекленных конструкций, в которых используется двухканальная обработка звуковых сигналов с целью достоверного распознавания звуков разбивающегося стекла анализируют звуковые сигналы по таким параметрам как:

- частотный спектр акустического сигнала;

- уровень НЧ составляющей акустического сигнала;

- уровень ВЧ составляющей акустического сигнала;

- временная последовательность прихода НЧ и ВЧ составляющих;

- соотношение амплитуд НЧ и ВЧ составляющих сигнала;

- соответствие формы НЧ составляющей принятого акустического сигнала форме, образующейся при ударе по стеклу;

- длительность НЧ составляющей акустического сигнала;

- длительность ВЧ составляющей акустического сигнала;

- уровень нарастания звукового давления;

- время нарастания звукового давления и т.д.

Чем больше параметров звуковых сигналов анализируется извещателем, тем он более надежен, обладает большей избирательностью, но и стоит дорого. Поэтому, чтобы акустические извещатели имели приемлемую цену в алгоритм их работы закладывается обработка какого-то ограниченного числа параметров звуковых сигналов, что определяется возможностями используемого микропроцессора.

Так как двухканальные извещатели выдают сигнал тревоги только при поступлении сигналов по двум каналам – НЧ и ВЧ, а НЧ сигнал обусловлен «прогибом» стекла, который способны создать только стекла больше какого-то определенного размера (как правило, более 30 х 30 см), то у них имеется один существенный недостаток – минимальный размер блокируемого стекла.

У одних извещателей минимальный размер блокируемого стекла равен площади стекла 28х28 см, у вторых - 30х30, у третьих - 41х61 см, а это сопоставимо с размерами стекол в оконных форточках. Ряд извещателей не могут применяться в помещениях площадью менее 3х3 м и более 15х15 м при высоте потолков более 4, 5 м.

Извещатель, в алгоритм работы которого заложено, что срабатывание возможно только при последовательном приходе сигналов сначала с низкочастотной составляющей, а затем высокочастотной, что характерно для разбития стекла, не реагирует на звуковые колебания другой природы происхождения, например, на звук от падение связки ключей, так как в этом случае в основном возникают высокочастотные составляющие. Но если стекло будет не разбиваться, а выдавливаться или лопаться от резкого перепада температур, то извещатель может сигнал тревога не выдать. По этой же причине при описании всех типов пассивных звуковых извещателей для блокировки остекленных конструкций используется термин " извещатели разбития стекла", а не " извещатели разрушения стекла" по аналогии с устройствами КРС. Исходя из этих свойств, и следует применять их на охраняемых объектах.

Ограничения эти связаны с тем, что различно укрепленные в раме стекла при различных способах разбития ведут себя по-разному, на распространение звуковых волн оказывают влияние особенности помещений, в которых установлены извещатели, а возможности акустических извещателей ограничены. Поэтому ни один из известных акустических извещателей нельзя признать идеальным или абсолютно надежным. Это обстоятельство необходимо учитывать при их применении.

При обслуживании и монтаже акустических извещателей разбития стекла в обязательном порядке необходимо использовать имитаторы разрушения стекла, причем только рекомендованные производителем, потому что у всех имитаторов FG 701, AFT-100, Testtrek-1 разные уровни излучаемых сигналов в дБ и разные частотные характеристики. В крайнем случае, когда есть возможность приобрести только один имитатор, целесообразно можно использовать FG 701. Имитаторы разрушения стекла по нормам положенности положены каждому электромонтеру!!! Без них невозможно проведение регламентных работ. Работоспособность извещателя по НЧ лучше проверять ударом ладони, резинового мячика или ударом пластмассовым имитатором по стеклу.

Расположение извещателя у окна не далее расстояний, указанных в паспорте еще не гарантирует его надежное срабатывание.

Для одноканальных извещателей разбития стекла, анализирующих звуковой спектр только по амплитуде и частоте можно использовать любой имитатор, или даже звуковой генератор, вырабатывающий сигнал с частотой 5 кГц. Для извещателей, использующих цифровую обработку звукового спектра необходимы специальные имитаторы, а также перевод их в специальный режим тестирования. Перевод в режим тестирования необходим потому, что ни один выпускаемый в настоящее время имитатор разбития стекла не может полностью воспроизвести звуковой спектр разбивающегося стекла, в основном из-за трудностей воспроизведения составляющих низких частот. Изготовление имитатора, полностью воспроизводящего звук падающего стекла сопряжено с рядом трудностей. Такой прибор будет иметь большие размеры, стоимость и пользоваться им на объекте будет сложно. В выпускаемых имитаторах в основном воспроизводятся высокие частоты, а низкие создаются проверяющим самостоятельно. При такой имитации невозможно, например, обеспечить необходимый уровень (амплитуду и длительность) низкочастотных составляющих спектра и временной интервал между низкочастотной и высокочастотной составляющими спектра, реально возникающий при разрушении стекла. Для этих целей и переводится извещатель в режим тестирования, при котором отдельные показатели звуковых спектров не анализируются.