Звуковой извещатель разрушения стекла для охранной тревожной сигнализации

 

Изобретение относится к радиотехнике, в частности к устройствам регистрации разрушения стеклянного полотна, закрепленного в раме. Изобретение может быть использовано в системах охранной сигнализации в качестве датчиках; техническим результатом является обеспечение устойчивой к звуковым помехам регистрации широкого класса разрушений стекла, в том числе безударных разрушений малых фрагментов, обеспечение низкой вероятности ложных тревог. Извещатель содержит широкополосный преобразователь акустических колебаний в электрический сигнал звуковых частот (микрофон), выход которого соединен с входами усилителей низкой частоты (с полосой пропускания от 100 до 400 Гц) и высокой частоты (с полосой пропускания от 6 до 10 кГц), блоки измерения сигналов каждого канала, блоки сравнения измеряемых характеристик сигналов с ожидаемыми в каждом из каналов и блок разрешения тревожного извещения, выход которого соединен с формирователем тревожного извещения, блоки определения помех для каждого из каналов, блок определения крутизны и приращения сигнала в ВЧ канале и блок определения ожидаемых характеристик сигналов. 1 ил.

Изобретение относится к радиотехнике, в частности к устройствам регистрации разрушения стеклянного полотна, закрепленного в раме.

Изобретение может быть использовано в системах охранной сигнализации в качестве датчика.

Широко известно использование таких устройств, работа которых основана на амплитудно-частотном и временном анализе акустических волн, преобразованных в электрический сигнал звуковых частот, в определенных частотных поддиапазонах, с целью регистрации колебаний, характерных для разбития стекла.

Важным требованием для подобных извещателей является сочетание высокой вероятности обнаружения при всех способах разрушения стеклянного полотна, максимально широкого диапазона размеров и толщины, и малой вероятности возникновения ложной тревоги в помещениях с различной акустикой, в том числе на фоне акустических бытовых и прочих помех. Причем наличие звуковых помех, возникающих как случайно, так и намеренно, может приводить как к возникновению ложных тревог, так и к снижению обнаружительной способности извещателя (т.е. к звуковому маскированию разрушения стекла).

Известны детекторы разбития стекла, анализирующие звуковые колебания в двух частотных каналах: высокочастотном (ВЧ) (от 13 до 19 кГц) и низкочастотном (НЧ) (от 10 до 50 Гц).

В детекторе по пат. США N 5438317 МПК G 08 B 13/00 помехи устраняются путем осреднения сигнала в НЧ канале до того, как производится его анализ. НЧ сигналы, связанные с прогибанием стекла до того, как оно разбивается, выделяются из повторяющегося или симметричного шума.

Детектор по пат. США N 5450061 МПК G 08 B 13/00 реализован на основании того, что минимальная продолжительность низких частот, вызванных прогибом стекла, обратно пропорциональна амплитуде.

В детекторе по пат. США N 5552770 МПК G 08 B 13/00 помимо указанных ограничений на НЧ сигнал введено жесткое ограничение на частоты, регистрируемые в ВЧ канале, а также предопределена последовательность появления НЧ и ВЧ компонентов.

Известны детекторы разбития стекла, в которых низкочастотный канал имеет полосу от 50 до 100 Гц и детектирует только положительную волну сжатия, вызванную прогибанием окна внутрь, например, пат. США N 5192931, МПК G 08 B 13/04. Причем анализ сигнала в ВЧ канале (в полосе от 8 до 15 кГц) происходит после регистрации сигнала в НЧ канале. В приборе по пат. США N 5510767, МПК G 08 B 13/00 помимо изложенного выше, в НЧ детектор включен анализатор пиковых значений, который выдает разрешение на тревогу только, если значение первой амплитуды больше значения второй.

Общим для перечисленных детекторов является обязательный анализ НЧ сигналов менее 100 Гц, связанных с прогибанием стекла до момента разрушения. Прогибание стекла, достаточной для анализа амплитуды, происходит только при ударных разрушениях стекол довольно больших размеров. Термическое разрушение стекла, выдавливание, а часто и резкий удар легким молотком в угол стеклянного полотна, находятся за пределами обнаружительной способности детекторов, использующих частотный диапазон ниже 100 Гц. Кроме того, жесткая временная последовательность появления сигналов в указанных детекторах, уменьшая вероятность ложных тревог, одновременно снижает вероятность обнаружения разрушения стекла на фоне звуковых помех, меняющих временную последовательность событий.

Наиболее близким с точки зрения подхода к помехоустойчивости и по технической сущности к предлагаемому извещателю является детектор разбития стекла по пат. США N 5117220, МПК G 08 B 13/00.

Детектор использует единственный микрофон или пьезоэлектрический элемент в качестве преобразователя акустических колебаний в электрический сигнал. Сигнал с выхода микрофона разделяется на два канала: канал регистрации структурных НЧ (ограниченных диапазоном частот от 100 до 400 Гц) и канал регистрации воздушных звуковых ВЧ сигналов (ограниченных диапазоном 6-7 кГц), характерных для разбития стекла достаточно широкого класса разрушений. Каждый из каналов содержит усилитель с фильтром соответствующих частот, интегратор, выполняющий роль измерителя уровня и длительности сигналов, а также компаратор сравнения измеренного сигнала с заранее заданным опорным напряжением. Структурный и воздушный компоненты анализируются последовательно. Изначально ВЧ канал закрыт и устройство находится в ожидании появления НЧ компонента необходимого уровня и продолжительности, при появлении которого через 50-100 мс (это время зависит от частоты и амплитуды НЧ сигналов), открывается ВЧ канал. Причем, чем дольше длится НЧ-вибрация, тем больше временное "окно" ожидания ВЧ-звука.

Для выдачи устройством тревожного извещения достаточно наличия ВЧ компонента в указанном временном окне в течение 50-100 мс (это время так же зависит от амплитуды и частоты сигнала).

Такое построение детектора снижает вероятность маскирования разрушения звуковыми помехами. Но одновременно повышает вероятность ложных тревог при появлении низкочастотного сигнала на фоне присутствующего высокочастотного и наоборот. В связи с тем, что устройство реализовано на интегрально-аналоговой базе, это не позволяет гибко менять алгоритмические составляющие в зависимости от помеховой обстановки.

Кроме того, для большинства разрушений НЧ вибрации и ВЧ звук указанных поддиапазонов частот происходят одновременно, а при безударных разрушениях ВЧ сигнал даже предшествует. Причем спад энергии звучания на 20 дБ в хорошо заглушенных помещениях при разрушениях, происходящих без выпадения осколков, происходит за время меньшее 50 мс. Основная энергия ВЧ-колебаний при этом заведомо не попадает в используемое в детекторе временное "окно", что существенно снижает вероятность обнаружения.

Задача, на решение которой направлено данное изобретение - это обеспечение устойчивой к звуковым помехам регистрации широкого класса разрушений стеклянного полотна, включающего безударное разрушение малых стеклянных фрагментов, разрушения, происходящие без выпадения осколков, в помещениях с различной акустикой при одновременном обеспечении низкой вероятности ложных тревог.

Эта задача решена тем, что в звуковой извещатель разрушения стекла, содержащий широкополосный преобразователь акустических колебаний в электрический сигнал звуковых частот, например микрофон, выход которого соединен со входом усилителя высокой частоты (ВЧ) и входом усилителя низкой частоты (НЧ), связанных с блоками измерений ВЧ и НЧ сигнала ВЧ и НЧ каналов соответственно, один из выходов каждого из указанных блоков соединен с одним из входов блока сравнения измеряемых характеристик с ожидаемыми ВЧ и НЧ каналов соответственно, блоки сравнения измеряемых характеристик с ожидаемыми ВЧ и НЧ каналов связаны с блоком разрешения тревожного извещения, выход которого соединен с входом блока формирования тревожного извещения, введены блок определения помех НЧ сигнала НЧ канала, блок определения помех ВЧ сигнала ВЧ канала, блок определения крутизны и приращения ВЧ сигнала ВЧ канала и блок определения ожидаемых характеристик сигналов, при этом в НЧ канале вход блока определения помех НЧ сигнала соединен с другим выходом блока измерений НЧ сигнала, в ВЧ канале вход блока определения помех ВЧ сигнала соединен с одним из выходов блока измерений ВЧ сигнала, входы блока определения крутизны и приращения ВЧ сигнала соединены с выходами блока измерений ВЧ сигнала и блока определения помех ВЧ сигнала, а выходы блока определения помех НЧ сигнала НЧ канала, блока определения помех ВЧ сигнала и блока определения крутизны и приращения ВЧ сигнала ВЧ канала связаны с блоком определения ожидаемых характеристик сигналов, один из выходов которого соединен с блоком сравнения измеряемых характеристик с ожидаемыми в НЧ канале, другой из выходов - с блоком сравнения измеряемых характеристик с ожидаемыми в ВЧ канале, третий выход - с входом блока разрешения тревожного извещения, второй выход которого соединен с блоком определения крутизны и приращения ВЧ сигнала.

Сущность изобретения пояснена чертежом, где представлена блок-схема предлагаемого извещателя.

Извещатель содержит широкополосный преобразователь акустических колебаний в электрический сигнал звуковых частот (микрофон) 1, выход которого соединен со входами усилителей низкой частоты 2 (с полосой пропускания от 100 до 400 Гц) и высокой частоты 3 (с полосой пропускания от 6 до 10 кГц), блоки измерения сигналов каждого канала 4 и 5, блоки определения помех 6,7 для каждого из каналов, блок определения крутизны и приращения сигнала в ВЧ канале 8 и блок определения ожидаемых характеристик сигналов 9, блоки сравнения 10 и 11 измеряемых характеристик сигналов с ожидаемыми в каждом из каналов и блок разрешения тревожного извещения 12, выход которого соединен с формирователем тревожного извещения 13.

ВЧ канал содержит: усилитель ВЧ частоты (3), блок измерения ВЧ сигнала (5), блок определения помех ВЧ сигнала (7), блок определения крутизны и приращения ВЧ сигнала (8), блок сравнения измеряемых характеристик с ожидаемыми (11).

НЧ канал содержит: усилитель НЧ сигнала (2), блок измерения НЧ сигнала (4), блок определения помех НЧ сигнала (7) блок сравнения измеряемых характеристик с ожидаемыми (10).

Блоки измерений НЧ (4) и ВЧ (5) сигналов, определений помех НЧ (6) и ВЧ (7) сигналов, блок определения крутизны и приращения ВЧ сигнала (8), блок определения ожидаемых характеристик сигналов (9), блок сравнения измеряемых характеристик НЧ (10) и ВЧ (11) сигналов с ожидаемыми, блок разрешения тревожного извещения (12) выполнены на базе программируемого микроконтроллера, имеющего по крайней мере два входа аналоговых сигналов, например, серии PIC16C7^**.

Работает извещатель следующим образом.

Измерительные блоки 4 и 5 преобразуют аналоговый сигнал, поступающий с усилителей 2 и 3 в цифровой вид с частотой дискретизации f_нч и f_нч, необходимыми для измерения сигналов выбранных частотных диапазонов. Из блока 4 значения преобразованного НЧ-сигнала передаются в блок определения уровня помех НЧ-канала 6, в котором хранятся предыдущие M отсчетов как сигналы НЧ помехи. Измерительный блок 5 из последовательных N отсчетов определяет амплитудные значения ВЧ сигнала и передает их в блок определения уровня помех ВЧ канала 7 и блок определения крутизны и абсолютного значения приращения сигнала в ВЧ канале 8. Предыдущие K амплитудных значений хранятся в блоке 7 как сигналы ВЧ помехи. Блок 8 изначально находится в режиме ожидания резкого нарастания фронта ВЧ сигнала, сравнивая текущее амплитудное значение ВЧ сигнала с ВЧ помехой. Как только крутизна нарастания ВЧ сигнала и его приращение превысят пороговые величины S_п и A_п, блок 8 в течение времени T (порядка нескольких миллисекунд) производит измерение уровня ВЧ сигнала. Это значение уровня из блока 8 наряду с уровнем помех из блоков 6 и 7 поступает в блок определения ожидаемых характеристик сигналов 9. Блок 9 на основе информации вычисляет ожидаемые амплитуды, частоты и длительность звуковых сигналов и передает в блоки сравнения 10 и 11 соответствующие значения нижних граничных частот F_нч и F_вч, граничные значения диапазона амплитудных порогов (U_н, U_в)_нч и (U_н, U_в)_вч, и полное время анализа T_а. Кроме того, значение T_а передается в блок разрешения тревожного извещения 12.

Время анализа T_а составляет от 25 до 90 мс. В зависимости от результатов, полученных блоком ожидаемых характеристик 9. Если в течение времени анализа в каком-нибудь из каналов характеристики сигналов не будут удовлетворять ожидаемым, соответствующий блок сравнений (10 или 11) выдаст в блок 12 команду на сброс анализа. Блок 12, в свою очередь, передаст команду на сброс в блок 8 и извещатель перейдет в начальный режим ожидания резкого нарастания фронта ВЧ сигнала.

Если характеристики сигнала соответствуют ожидаемым в каждом из каналов на протяжении всего времени анализа, блок 12 по истечении времени Та выдаст в блок формирования извещения тревоги 13 соответствующее разрешение, а через время, не превышающее длительность тревожного извещения T_тр, переведет извещатель в начальный режим ожидания резкого нарастания фронта ВЧ сигнала.

Благодаря тому, что разрешение на выдачу тревожного извещения выдается на основании комплекса характеристик принимаемых звуковых сигналов, а именно: уровня помех в каждом из каналов, крутизны нарастания огибающей ВЧ сигнала, абсолютного значения приращения сигнала в ВЧ канале, а также зависящих от них: уровня, частоты и длительности сигналов в каждом канале, предлагаемый извещатель обеспечивает низкую вероятность ложных тревог.

Благодаря тому, что используемые частоты анализа звуковых сигналов присущи максимально широкому классу разрушений стекла, а анализ сигналов происходит уже на начальной стадии разрушения стекла одновременно в каждом частотном канале, предлагаемый извещатель обеспечивает высокую вероятность обнаружения широкого класса разрушений стеклянного полотна, устойчивую к маскирующим воздействиям звуковых помех.

Формула изобретения

Звуковой извещатель разрушения стекла для охранной тревожной сигнализации, содержащий широкополосный преобразователь акустических колебаний в электрический сигнал звуковых частот, например микрофон, выход которого соединен с входом усилителя высокой частоты (ВЧ) и входом усилителя низкой частоты (НЧ), связанных с блоками измерений ВЧ и НЧ сигнала ВЧ и НЧ каналов соответственно, один из выходов каждого из указанных блоков соединен с одним из входов блока сравнения измеряемых характеристик с ожидаемыми ВЧ и НЧ каналов соответственно, блоки сравнения измеряемых характеристик с ожидаемыми ВЧ и НЧ каналов связаны с блоком разрешения тревожного извещения, выход которого соединен с входом блока формирования тревожного извещения, отличающийся тем, что в его состав введены блок определения помех НЧ сигнала НЧ канала, блок определения помех ВЧ сигнала ВЧ канала, блок определения крутизны и приращения ВЧ сигнала ВЧ канала и блок определения ожидаемых характеристик сигналов, при этом в НЧ канале вход блока определения помех НЧ сигнала соединен с другим выходом блока измерений НЧ сигнала, в ВЧ канале вход блока определения помех ВЧ сигнала соединен с одним из выходов блока измерений ВЧ сигнала, входы блока определения крутизны и приращения ВЧ сигнала соединены с выходами блока измерений ВЧ сигнала и блока определения помех ВЧ сигнала, а выходы блока определения помех НЧ сигнала НЧ канала, блока определения помех ВЧ сигнала и блока определения крутизны и приращения ВЧ сигнала ВЧ канала связаны с блоком определения ожидаемых характеристик сигналов, один из выходов которого соединен с блоком сравнения измеряемых характеристик с ожидаемыми в НЧ канале, другой из выходов - с блоком сравнения измеряемых характеристик с ожидаемыми в ВЧ канале, третий выход - с входом блока разрешения тревожного извещения, второй выход которого соединен с блоком определения крутизны и приращения ВЧ сигнала.

РИСУНКИ

Рисунок 1