Пьезоэлектрический преобразователь для возбуждения вибрационных колебаний в строительных конструкциях

Изобретение относится к пьезоэлектрическим устройствам для возбуждения вибрационных колебаний в различных строительных конструкциях (в частности, стенах, колоннах и т.п.) и может быть использовано в составе систем защиты помещений от несанкционированного перехвата акустической речевой информации. Техническим результатом изобретения является снижение «паразитных» шумов в помещении и упрощение его конструкции. Пьезоэлектрический преобразователь для возбуждения вибрационных колебаний в строительных конструкциях выполнен с возможностью его установки и жесткого закрепления в теле возбуждаемой строительной конструкции и содержит: опорное кольцо, верхнюю и нижнюю мембраны, жестко закрепленные на опорном кольце, верхний и нижний пьезоэлементы, закрепленные на внутренних поверхностях верхней и нижней мембраны соответственно. Опорное кольцо имеет в своем корпусе боковое отверстие, в котором размещен штуцер с проходящим через него электрическим кабелем, причем указанный электрический кабель соединен с обращенными внутрь упомянутой полости поверхностями обоих пьезоэлементов и внутренними поверхностями обеих мембран. 7 з.п. ф-лы, 1 ил.

 

Изобретение относится к пьезоэлектрическим устройствам для возбуждения вибрационных колебаний в различных строительных конструкциях (в частности, стенах, колоннах и т.п.) и может быть использовано в составе систем защиты помещений от несанкционированного перехвата акустической речевой информации.

В настоящее время защита речевой информации является одной из важнейших задач в общем комплексе мероприятий по обеспечению информационной безопасности как государственных объектов и учреждений, так и коммерческих структур.

Известно, что конфиденциальная речевая информация, распространяемая в процессе проведения закрытых переговоров или совещаний в специально выделенных для этих целей помещениях, может быть перехвачена третьими лицами дистанционно (т.е. без физического присутствия непосредственно в выделенном помещении) при помощи разнообразных технических средств акустической разведки (портативных устройств звукозаписи, электронных стетоскопов, закладных устройств с датчиками микрофонного и контактного типов, направленных микрофонов, лазерных акустических систем и др.). Перехват циркулирующей в помещении речевой информации может осуществляться через ограждающие конструкции помещения (стены, межэтажные перекрытия), окна (через открытые форточки или через оконное стекло), а также через элементы инженерных систем, выходящие и/или проходящие через это помещение (вентиляционные коробы, трубопроводы систем отопления, водоснабжения и др.). В частности, современные средства акустической разведки обеспечивают удаленный перехват циркулирующей в защищаемом помещении акустической информации с высоким качеством через ограждающие железобетонные конструкции зданий через 1-2 этажа. Вследствие этого становится актуальной задача защиты помещений от удаленного перехвата конфиденциальной информации.

Одним из наиболее распространенных методов защиты помещений от несанкционированного перехвата речевой информации является метод наложения на речевой сигнал маскирующей аддитивной шумовой помехи (активная защита).

Активная защита основана на использовании комплекса технических средств, обеспечивающих генерирование и распространение шумовых виброакустических колебаний по его ограждающим конструкциям и/или акустических колебаний для различного рода щелей и отверстий, образуемым в ограждающих конструкциях, а также в коробах вентиляции, дымоудаления и т.п. При этом происходит аддитивное наложение шумовых сигналов на защищаемый акустический речевой сигнал и вызываемые им вибрации ограждающих конструкций помещения, что при определенных соотношениях «сигнал/шум» позволяет полностью исключить несанкционированный перехват циркулирующей в помещении закрытой речевой информации.

В состав стандартной системы активной защиты помещений входит, как правило, генератор шума с заданной амплитудно-частотной характеристикой выходного сигнала (обычно, генератор белого или розового шума), соединенный с генератором усилитель, а также несколько акустических и/или виброакустических преобразователей, соединенных с усилителем. Акустические преобразователи служат для наложения акустической помехи на речевой сигнал, циркулирующий в помещении (для этой цели, как правило, используют акустические колонки), а виброакустические преобразователи - для наложения вибропомехи на вызываемые речевым сигналом вибрации, распространяющиеся по ограждающим конструкциям помещения, оконным стеклам, а также проходящим через это помещение участкам инженерных систем (в частности, трубопроводам). В то время как акустические преобразователи устанавливают во внутреннем пространстве помещения вблизи мест возможной утечки и перехвата информации, вибропреобразователи устанавливаются и закрепляются непосредственно на поверхности защищаемой конструкции, что во многом определяет их конструктивное выполнение.

Известен, в частности, вибропреобразователь для возбуждения вибрационных колебаний в строительных конструкциях, содержащий корпус с размещенной внутри него диафрагмой для создания акустических колебаний, направленной в сторону возбуждаемой конструкции, при этом корпус прикреплен к возбуждаемой строительной конструкции посредством болтовых соединений (см. US 4098370, McGregor et al., 04.07.1978, H 05 K 5/00). Возбуждение вибрационных колебаний с использованием известного преобразователя происходит при помощи акустических волн, генерируемых диафрагмой, которые, с одной стороны, возбуждают механические колебания корпуса, которые через болтовые соединения передаются в тело строительной конструкции, а с другой стороны, непосредственно воздействуют на строительную конструкцию, в которой в результате поглощения акустических волн возникают механические колебания. Основным недостатком известного вибропреобразователя является использование акустических волн для возбуждения вибрационных колебаний - подобный вибропреобразователь не гарантирует получение помехи с заданной амплитудно-частотной характеристикой, вследствие чего эффективность его противодействия техническим средствам акустической разведки довольно невелика. Кроме того, подобный вибропреобразователь характеризуется высоким уровнем так называемых «паразитных» шумов, распространяемых в процессе его работы внутри помещения и оказывающих негативное воздействие на находящихся в этом помещении людей.

Известны также вибропреобразователи для возбуждения вибрационных колебаний в строительных конструкциях (см., например, US 3728497, Komatsu, 17.04.1973, H 04 R 9/04, а также US 4506117, Fresard, 19.03.1985, H 04 R 9/06), выполненные с возможностью закрепления на поверхности возбуждаемой конструкции при помощи болтового соединения и содержащие средства для генерирования акустических колебаний с использованием постоянных и переменных магнитов. Возбуждение колебаний строительной конструкции при помощи известных вибропреобразователей осуществляется также посредством генерируемых акустических колебаний, вследствие чего этим известным решениям присущи все недостатки, упомянутые в отношении вибропреобразователя по US 4098370.

Известен также пьезоэлектрический вибропреобразователь, который может быть использован для возбуждения вибрационных колебаний в строительных конструкциях, содержащий дискообразный пьезоэлемент с размещенными на его противоположных сторонах электродами, указанный пьезоэлемент закреплен на двухслойной мембране, посредством которой колебания пьезоэлемента передаются на поверхность возбуждаемой конструкции (см. US 4016530, Goll, 05.04.1977, Н 04 В 11/00). При закреплении известного вибропреобразователя на поверхности строительной конструкции так же, как и в ранее описанных случаях, возможно возникновение паразитных шумов в помещении. Кроме того, известный вибропреобразователь недостаточно эффективно преобразует поступающий на него электрический сигнал в виброакустический в силу наличия у него собственного резонанса в рабочем частотном диапазоне.

Настоящее изобретение направлено на преодоление недостатков устройств, известных на предшествующем уровне техники, путем создания пьезоэлектрического преобразователя, который может быть использован в составе систем активной защиты информации и характеризуется полным отсутствием «паразитных» шумов, эффективно преобразует подаваемый на него электрический сигнал в вибрационные колебания массивных строительных конструкций и при этом имеет сравнительно несложную конструкцию.

Поставленная цель достигается в предлагаемом пьезоэлектрическом преобразователе для возбуждения вибрационных колебаний в строительных конструкциях, который выполнен с возможностью его установки и жесткого закрепления в теле возбуждаемой строительной конструкции и содержит: опорное кольцо, имеющее в своем корпусе боковое отверстие, в котором размещен штуцер с проходящим через него электрическим кабелем для подключения преобразователя к внешнему источнику электрического сигнала; верхнюю и нижнюю мембраны, жестко закрепленные на опорном кольце с образованием внутренней полости преобразователя, ограниченной внутренней поверхностью опорного кольца, а также внутренними поверхностями указанных мембран; верхний и нижний пьезоэлементы, закрепленные посредством клеевого соединения на внутренних поверхностях верхней и нижней мембраны соответственно; причем указанный электрический кабель соединен с обращенными внутрь упомянутой полости поверхностями обоих пьезоэлементов и внутренними поверхностями обеих мембран с возможностью образования в каждой из структур «пьезоэлемент - мембрана» одинаковой разности потенциалов.

Предпочтительно, преобразователь имеет возможность установки в заранее подготовленную и впоследствии заделываемую нишу в строительной конструкции.

Также предпочтительно, для обеспечения максимальной адгезии его наружной поверхности и материала строительной конструкции, поверхность вибропреобразователя покрыта слоем кварцевого песка с характерным размером зерна 0,5 мм.

Кроме того, предпочтительно, внешняя поверхность вибропреобразователя покрыта слоем электроизоляционного лака.

Предпочтительно, пьезоэлементы выполнены из пьезокерамики марки ЦТСНВ-1.

Изобретение поясняется далее более подробно со ссылкой на прилагаемый чертеж, на котором изображен вибропреобразователь по изобретению.

Как показано на чертеже, в теле массивной строительной конструкции 1 (например, в стенной панели, колонне, плите перекрытия, ригеле и т.п.) выполнена ниша, в которой размещают вибропреобразователь, включающий опорное кольцо 2 с боковым отверстием, в котором размещен штуцер 3 с проходящим через него электрическим кабелем 4 для подключения вибропреобразователя к внешнему источнику электрического сигнала с заданной амплитудно-частотной характеристикой (не показан) посредством разъема 5. На опорном кольце 2 жестко закреплены (например, посредством клеевых соединений с использованием циакринового клея) верхняя 6 и нижняя 7 мембраны, выполненные, например, из стали марки 30ХГСА или 12Х18Н9Т (10Т), с образованием внутренней полости преобразователя, ограниченной внутренней поверхностью опорного кольца 2, а также внутренними поверхностями указанных мембран 6 и 7. На внутренних поверхностях верхней 6 и нижней 7 мембран посредством клеевого соединения (с использованием любого известного эпоксидного клея с наибольшим модулем Юнга после отверждения) закреплены верхний 8 и нижний 9 пьезоэлементы, выполненные, предпочтительно, но не обязательно, из пьезокерамики ЦТСНВ-1. Мембраны 6 и 7 и пьезоэлементы 8 и 9 предпочтительно, но не обязательно, имеют дискообразную форму. Электрический кабель 4 соединен с обращенными внутрь полости преобразователя поверхностями обоих пьезоэлементов 8 и 9 и внутренними поверхностями обеих мембран 6 и 7 таким образом, что на каждой из структур «пьезоэлемент - мембрана» образуется одинаковая разность потенциалов. Во избежание образования опасного электрического заряда в теле и на поверхности строительной конструкции поверхность вибропреобразователя (т.е. наружная поверхность мембран 6 и 7, опорного кольца 2, а также штуцера 3) покрыта электроизоляционным лаком, например УР-28. Для обеспечения максимальной адгезии материала строительной конструкции и наружной поверхности вибропреобразователя, поверхность последнего покрыта слоем кварцевого песка с характерным размером зерна 0,5 мм (на чертеже не показано).

Вибропреобразователь по изобретению работает следующим образом.

Вибропреобразователь устанавливают в предварительно выполненную в теле строительной конструкции 1 нишу. Заделка преобразователя в нише производится таким образом, чтобы полностью исключить пустоты и неплотности механического контакта преобразователя с материалом конструкции 1. Для этого, в частности, поверхность преобразователя может быть предварительно покрыта слоем кварцевого песка с характерным размером зерна 0,5 мм, что обеспечивает наилучшую адгезию с материалом конструкции 1. После заделки ниши через разъем 5 и кабель 4 электрическое напряжение подается на пьезоэлементы 8 и 9, жестко связанные с мембранами 6 и 7. За счет поперечного пьезоэффекта пьезоэлементы 8 и 9 совершают радиальные колебания заданной частоты, которые вызывают изгибные деформации мембран 6 и 7, создающие вибрационные колебания в теле строительной конструкции 1.

За счет того что вибропреобразователь полностью заделывается в теле строительной конструкции, при его работе полностью исключается возникновение «паразитных» акустических шумов. Одновременно с этим за счет жесткого закрепления вибропреобразователя в теле строительной конструкции и плотного его прилегания к материалу последней, а также за счет жесткого соединения пьезоэлементов с соответствующими мембранами обеспечивается генерирование эффективной вибропомехи даже в массивных железобетонных строительных конструкциях. За счет того что размеры преобразователя значительно меньше длины волны возбуждаемых им вибрационных колебаний (длина волны - порядка 70 см) и все его элементы жестко связаны со строительной конструкцией, он не имеет собственных резонансов в рабочем частотном диапазоне и создает в теле возбуждаемой конструкции вибрационные смещения, пропорциональные величине подаваемого на него электрического сигнала. Выполнение пьезоэлементов из пьезокерамики состава ЦТСНВ-1, которая обладает наилучшим сочетанием величины поперечного пьезомодуля d₃₁=203·10^-12 Кл/Н и коэффициента электромеханической связи К=0,7 (см. «Проектирование датчиков для измерения механических величин» под ред. д.т.н. Е.П. Осадчего изд. «Машиностроение», Москва, 1979 г.), обеспечивает наибольшее эффективное преобразование энергии возбуждающего электрического сигнала в механическую энергию вибрационных колебаний.

Таким образом, как это было показано выше, использование вибропреобразователя по изобретению в составе систем активной защиты информации позволяет преодолеть трудности, известные на предшествующем уровне техники, повысить эффективность и комфортность эксплуатации системы в целом. Специалистам в данной области будут ясны и другие варианты конкретной реализации заявленного изобретения, которые могут незначительно отличаться от вышеприведенного примера его осуществления, но которые, тем не менее, не выходят за рамки объема притязаний, определяемого прилагаемой формулой.

1. Пьезоэлектрический преобразователь для возбуждения вибрационных колебаний в строительных конструкциях, содержащий

опорное кольцо, имеющее в своем корпусе боковое отверстие, в котором размещен штуцер с проходящим через него электрическим кабелем для подключения преобразователя к внешнему источнику электрического сигнала;

верхнюю и нижнюю мембраны, жестко закрепленные на опорном кольце с образованием внутренней полости преобразователя, ограниченной внутренней поверхностью опорного кольца, а также внутренними поверхностями указанных мембран;

верхний и нижний пьезоэлементы, закрепленные посредством клеевого соединения на внутренних поверхностях верхней и нижней мембран соответственно;

причем указанный электрический кабель соединен с обращенными внутрь упомянутой полости поверхностями обоих пьезоэлементов и внутренними поверхностями обеих мембран с возможностью образования в каждой из структур «пьезоэлемент - мембрана» одинаковой разности потенциалов и

при этом преобразователь выполнен с возможностью его установки и жесткого закрепления в теле возбуждаемой строительной конструкции.

2. Преобразователь по п.1, отличающийся тем, что он имеет возможность установки в заранее подготовленную и впоследствии заделываемую нишу в строительной конструкции.

3. Преобразователь по п.1 или 2, отличающийся тем, что для обеспечения максимальной адгезии его наружной поверхности и материала строительной конструкции, его поверхность покрыта слоем кварцевого песка с характерным размером зерна 0,5 мм.

4. Преобразователь по п.1 или 2, отличающийся тем, что его внешняя поверхность покрыта слоем электроизоляционного лака.

5. Преобразователь по п.3, отличающийся тем, что его внешняя поверхность покрыта слоем электроизоляционного лака.

6. Преобразователь по любому из пп.1, 2 и 5, отличающийся тем, что пьезоэлементы выполнены из пьезокерамики марки ЦТСНВ-1.

7. Преобразователь по п.3, отличающийся тем, что пьезоэлементы выполнены из пьезокерамики марки ЦТСНВ-1.

8. Преобразователь по п.4, отличающийся тем, что пьезоэлементы выполнены из пьезокерамики марки ЦТСНВ-1.