Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ЗАЩИТЫ ЗАМКНУТОГО ПОМЕЩЕНИЯ ПРИ НЕСАНКЦИОНИРОВАННОМ В НЕГО ПРОНИКНОВЕНИИ

Предлагается способ защиты замкнутого помещения при несанкционированном в него проникновении путем создания условий психической невозможности пребывания человека в этих условиях, который может быть востребован при защите бытовых и специфических помещений.

Общеизвестны из СМИ случаи проникновения нежелательных лиц в банковские, служебные помещения с целью кражи коммерческих тайн, уголовных дел, банковских документов и др. закрытой информации, а также в салоны автомобилей с целью их угона. Это свидетельствует о том, что секреты замковых защитных устройств оказываются известными для заинтересованных лиц. Поэтому создание условий психической невозможности пребывания нежелательных лиц в помещении, куда они проникли несанкционированно, и невозможность ими в этих условиях реализовать свои цели является актуальной задачей и сегодня.

Известно [1, 2, 3, 4, 5], что инфранизкие звуковые волны в частотном диапазоне от 1 Гц до 18 Гц при достаточной интенсивности этих излучений рассматриваются как серьезное оружие против человека, а именно:

- могут вызвать чувство страха и паники, возможна остановка работы сердца;

- наиболее опасная частота 7 Гц совпадает с частотой α-волн мозга и может привести к смерти;

- работа многих внутренних органов человека происходит с определенной частотой, которая является инфранизкой, что и объясняет нежелательные последствия воздействия звуковыми колебаниями этой частоты на человека.

Допустимым уровнем мощности при постоянном инфразвуковом воздействии являются значения 105 дБ в октавных полосах частотой 2, 4, 8, 16 Гц и 102 дБ в октавной полосе 31,5 Гц. В случае непостоянного инфразвукового воздействия нормируются упомянутые общие уровни (в частности, учитывают скважность в случае импульсного периодического режима воздействия).

В Российской Федерации действует закон «Об оружии», в котором в соответствии с абзацем 7 пункта 1 статьи 6 отмечено: «…запрещается оборот оружия и иных устройств, поражающее действие которых основано на использовании электромагнитного, светового, теплового, инфразвукового и ультразвукового излучений, которые имеют выходные параметры, превышающие величины, установленные стандартами РФ и соответствующие нормам Федерального органа Исполнительной власти в области здравоохранения». Допустимые значения мощности для инфразвука указаны выше.

Предлагаемый способ защиты замкнутого помещения при несанкционированном в него проникновении построен на использовании воздействия инфразвукового излучения. С учетом приведенных выше ограничений техническим решением способа является создание в замкнутом помещении условий психической невозможности пребывания там лиц без нанесения им увечий, которые могут возникнуть при использовании запрещенных уровней мощности излучения (для инфразвука не более 130-140 дБ).

По технической сути известный способ непостоянного воздействия инфразвука в законе «Об оружии», а также в работах [2, 3, 5] может быть принят как аналог предлагаемого способа.

Недостатком аналога при прямом воздействии инфразвука является необходимость соблюдать требования соответствия геометрических размеров излучателя длине волны инфразвука.

Предложенный способ устраняет недостаток аналога и препятствует нахождению нежелательных лиц в охраняемом помещении при проникновении в него через входную(ые) дверь(и), снабженную(ые) специальным замковым устройством. Способ предлагает дополнительно снабжать входную дверь(и), окно(а) и вентиляционные люки охранными датчиками, которые при несанкционированном проникновении через упомянутые элементы помещения через время задержки t_зад≤15 с включают генератор ультразвуковых (УЗ) колебаний, работающий непрерывно на фиксированной частоте выше 30 кГц и который через модулятор подключают к УЗ-излучателю(ям) колебаний, направленному(ым) внутрь помещения. Причем включение УЗ-излучателя осуществляют импульсами прямоугольной формы с длительностью t_мод и частотой модуляции t_мод в диапазоне от 1 Гц и выше, при этом скважность включения УЗ-излучателя устанавливают из условия

время реверберации T_рев УЗ-излучения по окончании t_мод устанавливают из условия

а коэффициент отражения УЗ-излучений от стен замкнутого помещения определяют из равенства

где - среднее число отражений в помещении, l_ср - средняя длина пути УЗ волны между отражениями, C_зв - скорость звука в воздухе, ΔP_min - минимальный уровень спада исходной единицы измерения (давления, мощности) в конце времени T_рев.

Сущность предложенного способа поясняется следующими чертежами:

фиг.1 - функциональная схема устройства, реализующего предложенный способ, где 1 - охранные датчики на элементах помещения (входная дверь, окно и пр.), 2 - УЗ генератор, 3 - модулятор, 4 - УЗ-излучатель, 5 - выключатель УЗ генератора;

фиг.2 - временная диаграмма работы.

Способ, как следует из его описания и приведенных фиг. 1 и 2, основан на использовании так называемого радиационного давления звука. Механизм радиационного давления достаточно подробно рассмотрен в работах [6, 7, 8] и относится к звуковым эффектам 2-го порядка.

Звуковое давление (явление первого порядка) представляет собой чередование сжатий и разрежений в воздушной среде, причем амплитуды сжатия и разрежения всегда равны. Поэтому звуковое давление не создает в воздушной среде постоянной (по направлению) силы у поверхности препятствий.

Радиационное давление звука выражается в том, что поверхность препятствия на пути звуковой волны испытывает постоянное по величине и направлению давление, которое подобно световому давлению, открытому П.Н. Лебедевым в 1903 г.

Авторы согласны с физическим толкованием явления радиационного давления [8], связанного с явлениями, в которых сопротивление движению частиц среды будет меньше, когда частицы движутся из области сжатия в область разрежения, чем в случае, когда частицы движутся из области разрежения в область сжатия. Именно эта разность в сопротивлении среды создает постоянное давление в направлении распространения звука, и, как показано в указанных работах, радиационное давление меньше звукового давления в 10²÷10³ раз.

Предложение применить УЗ-излучение и его использование для формирования радиационного давления объясняется следующими обстоятельствами:

- в УЗ-диапазоне достигаются более высокие значения мощности излучения (до 5 Вт/см²), [9, 10];

- в УЗ-диапазоне существенно уменьшаются габаритные размеры излучателя при низких (не более 100 В) напряжениях питания излучательных элементов.

Особенности УЗ-излучателей заключаются в реализации в механических колебательных элементах явления резонанса, что позволяет существенно увеличивать амплитуду колебаний на резонансной частоте. В области указанного УЗ-диапазона используют материалы, обладающие пьезоэффектом. Такие пластины поляризуют по толщине Δ, а максимальная эффективность излучения достигается при равенстве Δ полуволновой длине излучения λ_изл/2 (на частоте 50 кГц λ_изл/2=5,5 мм).

В качестве материалов с пьезоэффектом в настоящее время используют цирконат - титонат свинца (ЦТС-22, ЦТС-23, ЦТБС-2, ЦТСС-1), ниобат лития (НБС-1) и др., обладающие высокими допустимыми значениями рабочих температур (выше + 300°С). УЗ-излучатели с мощностью излучения 5 Вт/см² имеют кпд около 30%, что практически на порядок превышает кпд излучателей в звуковом и инфразвуковом диапазонах частот [11].

При интенсивности УЗ-излучения I_уз создаваемое звуковое давление ∆P_уз можно рассчитать, воспользовавшись выражением [12, 13]:

и при I_уз=5 Вт/см² Z_ак≈418 кг/м²·с (акустическое сопротивление воздуха) и ΔР_уз=4,6·10³ Па. Радиационное давление в этом случае составляет 4,6÷46 Па.

Полученное значение радиационного давления следует отнести к величинам, которые в звуковом диапазоне вызывают у человека болевые ощущения [12, 13]. Этот результат подтверждается экспериментальными данными, приведенными в работе [6], где зафиксировано, что при интенсивности звука в воздухе ~1 Вт/см² (соответствует уровню интенсивности звука ~160 дБ) звуковое давление составляет ~3·10³ Па, а радиационное давление составляет ≈10 Па.

В соответствии с предложением УЗ-излучатель работает в импульсном режиме с частотой от 1 Гц и выше и создает в закрытом помещении радиационное давление, эквивалентное инфразвуковому.

В работах [2, 5] приведены резонансные частоты внутренних органов человека, на работоспособность которых может оказать влияние излучение инфразвукового диапазона:

Виды изменений психического состояния человека, оказавшегося в поле инфранизких частот излучения, следующие:

Приведенные сведения не содержат данных об экспозиции воздействия, подтвержденных какими-либо экспериментальными данными. Таких данных авторы не обнаружили в открытой печати или Интернете, однако инфразвуковое воздействие радиационного давления на человека в предложенном варианте является практически реализуемым.

Наиболее целесообразным авторы считают использование инфранизких частот, вызывающих беспокойства и страх (диапазоны 8,0÷13,0 Гц и 15,0÷18,0 Гц) или расстройство желудочно-кишечного тракта (2,0÷4,0 Гц).

На фиг.1 представлена функциональная схема устройства, реализующая предложенный способ. В соответствии с фиг.1: охранные датчики 1 для включения УЗ генератора 2 располагают на элементах помещения (входная дверь, окно, вентиляционный люк и т.д.), через которые возможно несанкционированное проникновение в помещение. УЗ электрические сигналы поступают на модулятор 4, который подключает УЗ генератор 2 к УЗ-излучателю 4. Ключевые устройства 5 обеспечивают отключение УЗ генератора. Местоположение элементов 5 внутри замкнутого помещения должно быть известно только владельцу помещения, и их располагают по возможности в недоступном для нежелательных лиц месте. Такой ключ может быть выполнен с использованием электромагнитного излучателя, управляемого вручную или же механического выключателя типа кнопки.

Работу предлагаемого способа иллюстрирует фиг.2.

- при «срабатывании» одного из охранных датчиков 1 через время t_зад подается, например, напряжение питания U_п на УЗ генератор 2, который начинает работать в непрерывном режиме, что и изображено на графиках А и Б на фиг.2.

На графике В фиг.2 показана работа модулятора, который вырабатывает импульсы прямоугольной формы длительностью t_имп. При этом частота включения этих импульсов F_мод находится в диапазоне инфранизких частот от 1 Гц и выше.

На графике Г показана работа УЗ-излучателя в течение сформированных модулятором импульсов длительностью t_мод.

Графики Д и Е на фиг.2 иллюстрируют момент появления сигнала от ключа 5 и формирование радиационного (инфразвукового) давления.

С изменением F_мод при неизменной длительности t_мод происходит изменение скважности включения УЗ-излучателя. Поэтому авторами предложено требование сохранения скважности включения УЗ-излучателя (отношение периода модуляции 1/F_мод ко времени излучения t_мод) при любых значениях F_мод в виде равенства

Так, при скважности, равной 2, достигаются оптимальные значения формирования импульсной мощности излучения радиационного инфразвукового давления, которое уменьшает воздействующее инфразвуковое радиационное давление излучения в два раза.

Отклонение на 10% (2±0,2) от оптимального значения скважности излучения, по мнению авторов, допустимо, так как приводит к изменению радиационного давления звука в пределах 10%. Отклонение от указанного разброса приводит к усложнению схем УЗ генератора и излучателя, а также к нежелательным изменениям давления.

Как отмечалось выше, радиационное давление УЗ-излучения формируется за счет разности акустических сопротивлений в воздушной среде при формировании в воздухе областей разрежения и сжатия в направлении распространения волны. Также подобное давление будет формироваться при распространении УЗ-излучения и в жидких и твердых средах.

Кажется очевидным, что увеличение числа формирования этих областей, то есть увеличение числа периодов колебаний в интервале t_мод при работе УЗ-излучателя, может привести к быстрому формированию и увеличению радиационного давления. В частности, для случая равенства скважности 2 и при F_уз=40 кГц для F'_мод=1 Гц число периодов колебаний при УЗ-излучении равно 2·10⁴, a при F''_мод=18 Гц число периодов равно 10³.

Однако известно [13], что поглощение звука наблюдается не только преградами, но и воздушной средой. Эти потери объясняются вязкостью, теплопроводностью и молекулярным поглощением. Поглощение звука в воздухе достаточно точно описывается экспоненциальной функцией вида

где l=c_зв·t, µ - коэффициент затухания, равный обратному значению того пути l, на котором исходная плотность звуковой энергии ε₀ уменьшается в е раз.

Значение µ зависит от плотности ρ₀ воздуха, его вязкости η, температуры T, влажности φ, частоты F и выражается зависимостью

Из (6) следует, что при прочих равных условиях для различных F_уз величина потерь звуковой энергии будет одинаковой при выполнении условия

и, следовательно, для предложенного способа изменения УЗ-частоты выше 30 кГц (например, в диапазоне до 50 кГц) отношение будет l₁/l₂≈2,8. Это значит, что потеря мощности излучения на частоте 50 кГц в воздухе произойдет на расстоянии l₂, которое в три (≈2,8) раза меньше расстояния, на котором возникают те же потери на частоте 30 кГц.

Примерно такой же результат следует и из графика, приведенного в работе [12], на котором потери в сухом воздухе на частоте 30 кГц составляет 105÷115 дБ, а на частоте 50 кГц - 300÷320 дБ.

Поэтому, по мнению авторов, частоту УЗ-излучателя следует устанавливать близкой к верхней границе звуковой частоты в диапазоне 30÷50 кГц.

Для небольших по объему помещений (например, салон автомобиля) выбор F_уз правильно оценивать только по частотным зависимостям коэффициентов поглощения стенок помещения, пренебрегая потерями излучения в воздухе.

По мнению авторов, радиационное давление УЗ-излучения, возникающее в течение t_мод, по окончании этого времени должно затухнуть практически до нуля за время равное или меньшее 0,25 t_мод. Процесс затухания УЗ-излучения, как известно, определяется двумя факторами:

- наличием поглощения УЗ-излучений стенками помещения, которое можно также оценить по коэффициенту отражения стенок,

- вязкого затухания УЗ-волны в воздухе, которое для помещений малого размера (объема) в указанном диапазоне F_уз незначительно.

В акустике [12, 13] время, в течение которого звуковая энергия в замкнутом помещении после отключения источника звука уменьшается до какого-то заданного уровня, называют временем реверберации T_рев. При заданной скважности работы УЗ-излучателя (условие (1)), авторы рекомендуют время реверберации, обеспечивающее реализацию предлагаемого способа, устанавливать из условия (2). Конечно, время T_рев зависит от объема помещения и коэффициентов отражения α его стен, полагая, что коэффициент поглощения стен β при известном α находят из очевидного равенства

Рассмотрим для примера два замкнутых помещения в форме куба со сторонами α'=1 м и α''=-4 м. Средняя длина прохождения волны в первом помещении может быть равной [13] ≈3 м, а во втором ≈5,5 м, а время прохождения волной этого расстояния соответственно будет

c и с

Так как время T_рев должно удовлетворять условию (2), то при различных значениях F_мод число отражений n_отр в помещении оказывается ограниченным неравенством

В таблице 1 приведены расчетные значения для различных F_мод при использовании равенства в (9).

Из данных таблицы 1 можно сделать следующее заключение:

- с увеличением объема замкнутого помещения уменьшается число отражений n_отр излучений от его стенок и, следовательно, требуется использование материала с большим коэффициентом поглощения β (или меньшим коэффициентом отражения α) стенок,

- наиболее целесообразно при реализации предложенного способа использовать объемы помещений не более 60-70 м³ при частоте модуляции F_мод≤13 Гц.

Так как в справочной литературе по акустике чаще приводятся данные коэффициентов отражения α звуковых волн от различных преград, то выражение для определения требуемого значения α можно представить в виде

где ΔP_min - минимальный уровень спада исходной единицы измерения (давление, мощность) в конце излучения, который возникает через время T_рев. Этот уровень задают. Например, для ΔР_min=0,001 требуемый коэффициент отражения находится из выражения

и при F_мод=8 Гц и помещение с n_отр=3 коэффициент отражения α=0,1(β=0,9), а для помещений с n_отр=6 коэффициент отражения α=0,316 (β=0,684).

Предложенное авторами ограничение на время срабатывания t_зад<15 с связано со следующими обстоятельствами:

- возможной задержкой перед проникновением в помещение нежелательных лиц по различным причинам,

- возможной потерей ключа для вскрытия замкового устройства владельцем помещения, которому известно местоположение ключа 5 (см. фиг.1) и секрет его отключения.

Время задержки t_зад устанавливают по согласованию с владельцем помещения, соблюдая требование не превышать 15 с.

Таким образом, предложен способ защиты замкнутого помещения при несанкционированном в него проникновении, основанный на воздействии на этих лиц радиационного давления при импульсном излучении УЗ- колебаний с частотой их включения в инфразвуковом частотном диапазоне от 1 Гц и выше.

Выбор частоты инфразвука является прерогативой потребителей, но с обязательным соблюдением ограничительных законодательных мер по использованию этих видов излучений.

Рекомендованный диапазон УЗ-излучений при формировании радиационного давления позволяет успешно решить поставленную техническую задачу - уменьшение геометрических размеров излучателей инфразвука при достижении воздействующей мощности инфразвукового излучения.

В настоящей заявке не рассматривалось прямое воздействие УЗ-излучения на человека, так как при указанных частотах и излучающей УЗ-мощности авторы не обнаружили в известной литературе опасности для человека.

Использованная литература

1. Хорбенко И.Г. Звук, ультразвук, инфразвук. М.: 1986.

2. Хатунцев Ю.А. Экология и экологическая безопасность. - М.: 2002.

3. http://vaostory.m/blogs/o-chyom-malo-pishut/infrazvukovoe-oruzhie.html. Web, 24.02.2012.

4. http://gorod-magov.ucoz.org/forum/161-197-1. Web, 04.12.2008

5. ГОСТ Р 53188.1-2008, Шумомеры. Часть 1. Технические требования. - М.: Стандартинформ, 2009, 32 с.

6. Красильников В.А. Крылов В.В. Введение в физическую акустику. - М.: Наука, 1984, 403 с.

7. Прохоров AM. (под ред.) Физическая энциклопедия, - М.: Наука, 1983.

8. Колесников А.Е. УЗ измерения, - М.: Наука, 1970.

9. Розенберг Л.Д. Применение УЗ,- М.: АН СССР, 1958.

10. Справочник под ред. Клюева В.В. «Неразрушающий контроль и диагностика», 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 2003. - 656 с.

11. Красильников А.А. Звуковые и УЗ-волны в воздухе, воде и твердых телах,- М.: Физмат литература, 1960.

12. Справочник «Акустика», - М.: Радио и связь, 1989.

13. Алдошина И.А., Вологдин Э.И; Ефимов А.П. и др. Электроакустика и звуковое вещание, - М.: Радио и связь, 2007.