Способ защиты замкнутого помещения при несанкционированном в него проникновении

Предложен способ создания условий психической невозможности пребывания нежелательных лиц, несанкционированно проникших в закрытые помещения (офисы, банковские помещения, салоны автомобилей и пр.), снабженные специальными замковыми устройствами. Технический результат заключается в обеспечении более высоких значений мощности излучения при уменьшении габаритных размеров излучателя. Упомянутые условия создаются автоматическим включением ультразвукового (УЗ) генератора, излучение которого направлено внутрь помещения. УЗ- излучение модулируют прямоугольными импульсами с частотой модуляции от 1 Гц и выше. Скважность УЗ-излучения устанавливают равной 2. Возникающее при этом радиационное давление эквивалентно инфразвуковому излучению. Параметры УЗ-излучения, время реверберации связаны с параметрами помещения, а именно с размером и коэффициентами отражения звуковой волны стенками помещения. 2 ил., 1 табл.

 

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

$$\frac{1}{F_{мод}\cdot t_{мод}}=2,0\pm 0,2,(1)$$

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

$$T_{рев}\le \frac{0,25}{F_{мод}},(2)$$

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

$${(\alpha )}^{n_{отр}}=\Delta P_{\min },(3)$$

где $$n_{отр}=\frac{T_{рев}\cdot C_{зв}}{l_{ср}}$$ - 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]:

$$\Delta P_{уз}=\sqrt{I_{уз}\cdot Z_{ак}}(4)$$

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:

0,05÷0,06; 0,1÷0,6 Гц	кровеносная система
0,5÷13,0 Гц	вестибулярный аппарат
2,0÷3,0 Гц	желудок
2,0÷4,0 Гц	кишечник
2,0÷5,0 Гц	руки
6,0 Гц	позвоночник

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

сокращение сердечного ритма	1÷2 Гц
страх, нарушение состояния покоя	8÷13 Гц (совпадает с дельта-ритмами мозга)
нарушение умственной работы	14÷30 Гц (совпадет с бета-ритмами мозга)
головокружение	12 Гц
расстройство желудка	2÷4 Гц
беспокойство, страх	15÷18 Гц

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

$$\frac{1}{F_{мод}\cdot t_{мод}}=2,0\pm 0,2$$

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

$$\epsilon ={\epsilon }_0\cdot \exp (-\mu \cdot l)(5)$$

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

$$\mu =52,5\cdot \eta \cdot \frac{F_{уз}^2}{c_{зв}\cdot {\rho }_0}=A\cdot F_{уз}^2(6)$$

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

$$\frac{l_1}{l_2}={\left(\frac{F_2}{F_1}\right)}^2(7)$$

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

$$\beta =1-\alpha (8)$$

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

$$\Delta t_{\alpha \text{'}}=\frac{3}{C_{зв}}\approx 8,8\cdot {10}^{-3}$$ c и $$\Delta t_{\alpha \text{'}\text{'}}=\frac{5,5}{C_{зв}}\approx 16,2\cdot {10}^{-3}$$ 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

$$n_{отр}\le \frac{0,25}{F_{мод}\cdot \Delta t_{\alpha }}(9)$$

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

Таблица 1
Fмод, Гц,	2	5	8	12	18
0,25/Fмод, c	0,125	0,05	0,031	0,0208	0,01375
nотр	Δtα'	14,2	5,7	3,5	2,4	1,6
Δtα''	7,8	3,1	1,9	1,3	0,9

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

$${\left(\alpha \right)}^{n_{отр}}=\Delta P_{\min },(10)$$

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

$$\alpha =\sqrt[n_{отр}]{0,001}$$

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.

Способ защиты замкнутого помещения при несанкционированном в него проникновении в него нежелательных лиц через входную(ые) дверь(и), снабженную специальным замковым устройством, отличающийся тем, что входную дверь, окна, вентиляционный люк дополнительно снабжают ключевыми элементами, которые при несанкционированном проникновении через упомянутые элементы через время t_зад≤15 с включают генератор ультразвуковых (УЗ) колебаний, работающий непрерывно на одной фиксированной частоте выше 30 кГц, и который через модулятор подключают к УЗ излучателю(ям) колебаний, излучение которого(ых) направляют внутрь помещения, причем включение УЗ-излучателя осуществляют импульсами прямоугольной формы и длительностью t_мод с частотой модуляции F_мод в диапазоне от 1 Гц и выше, при этом скважность включения УЗ-излучателя устанавливают из равенства
$$\frac{1}{F_{мод}\cdot t_{мод}}=2,0\pm 0,2$$ ,
время реверберации T_рев УЗ-излучения по окончании t_мод устанавливают из неравенства
$$T_{рев}\le \frac{0,25}{F_{мод}}$$ ,
а коэффициент отражения УЗ-излучений стен замкнутого помещения определяют из равенства
$${(\alpha )}^{n_{отр}}=\Delta P_{\min }$$ ,
где $$n_{отр}=\frac{T_{рев}\cdot C_{зв}}{l_{ср}}$$ - среднее число отражений в помещении, l_ср - средняя длина пути волны между отражениями, C_зв - скорость звука в воздухе, ΔP_min - минимальный уровень спада исходной единицы измерения (давления, мощности) в конце времени T_рев.