Анализ воздействия звуковой информации на оператора средств автоматизации

Повседневная деятельность человека неразрывно связана со слуховым восприятием, посредством которого он воссоздает на сознательном уровне окружающую его картину мира. Информационный поток воспринимается индивидом как при личном контакте, так и через источники преобразования информации. Современный уровень развития науки и техники позволяет создавать такие программные или программно-аппаратные средства, которые применительно к косвенному варианту восприятия информации способны не только проводить анализ возможной модификации состояния человека, но и искусственным образом генерировать различные механические колебания, вызывающие у человека ложные чувства и нарушающие адекватность его реакций, а также вызывающие синдром зависимости [5].

Развитые государства включают в военные доктрины статьи о приоритетном применении нелегального оружия, которое помогает быстро и с наименьшими потерями добиться победы. Таким образом, человек может стать мишенью для неблагоприятных намерений недоброжелателей. В связи с этим важно подвергать данную тему критическому анализу в целях оперативного предупреждения и предотвращения фатальных последствий, которые могут носить массовый характер.

Влияние звука на психофизическое состояние человека

Мозг человека моделирует так называемые формообразы при попадании в определенную область информационного пространства [4]. То есть у каждой реакции человека есть только своя сфера для проявления, вызываемая резонансом информационного содержания. Избыточное количество определенного гормона образует дисбаланс в работе организма, приводя к возможным патологиям. Накопление гормона происходит в момент попадания органа с его собственной частотой в поле с диссонирующей частотностью. Частоты, характерные для большинства органов и систем организма, лежат в инфразвуковом диапазоне. Ученые считают, что, возможно, именно из-за возбуждения резонансных колебаний в биологических системах жизнеобеспечения возникает негативное воздействие частот определенного диапазона. Явление резонанса впервые было рассмотрено и опубликовано Галилео Галилеем в 1602 г. [6; 7]. При резком возрастании амплитуды внутренних колебаний (частоты) можно численно определить ее изменение, т.е. степень отзывчивости системы на вынуждающую силу. В терминах физики данная величина (степень) называется добротностью колебательной системы [3].

Считается, что ухо – главный орган для восприятия звуковой информации, попадающей впоследствии в мозг. Мозг представляет собой сложный «аппарат», отвечающий за слаженную работу наших психизмов и биосистемы в целом. Результат мыслительной деятельности полностью зависит от слаженной работы всех областей головного мозга [4].

Однако существуют и другие анатомические возможности для приема и передачи звуковых волн. Каждый орган работает на собственной частотной волне. Внутренние органы нашего тела имеют достаточно низкие собственные частоты: брюшная полость и грудная клетка – 5–8 Гц, голова – 20–30 Гц. Среднее значение резонансной частоты для всего тела составляет 6 Гц, сокращения сердца – 1–2 Гц, вестибулярного аппарата – около 6 Гц.

Работа мозга включает несколько состояний. Глубокий сон или расслабление характеризуется дельта-состоянием δ, в течение которого мозг излучает волны с частотой ко-

Груба М.Г., Фоменко Ю.С., Калиниченко С.В. Анализ воздействия...    25

лебаний 0–4 Гц. В тэта-состоянии θ происходят процессы расслабления или медитации. Самым непродуктивным является бета-состояние, характеризуемое стрессом или возбуждением. Диапазон частот варьируется от 14 до 35 Гц. В активном состоянии мозг продуцирует волновые колебания частотой более 35 Гц (гамма-состояние). Диапазон частот от 7 до 8 Гц чрезвычайно опасен для здоровья, так как этот тип вибраций способен спровоцировать эпилептические приступы, смертельно поразить внутренние органы и даже реально деформировать их. Длительное воздействие на мозг звука частотой 7 Гц пагубно влияет на сердце вплоть до его остановки. Излишняя активность альфа-состояния α приводит к состояниям апатии, пассивности [4].

Звуковая волна, проходя через слуховой орган человека, расходится по многочисленным нейронным сетям. В случае превышения ею слышимого диапазона в организме человека может возникнуть дисгармония, которая вызовет ухудшение психоэмоционального состояния. Эта дисгармония будет проецироваться на подсознание человека, вызывая перестройку его сознания. Зачастую это происходит неосознанно и неконтролируемо. Производимый эффект звукового воздействия может нарушить когнитивные функции слухового восприятия. Синтез и передача звука, сгенерированного с заранее подобранными чуждыми для человека акустическими характеристиками, может вызвать в его организме диссонанс, т.е. организм, будучи готовым к принятию определенного звукового диапазона, из-за неспособности выявления предметности слухового образа может проявить состояние своей внутренней «потерянности» либо через физическое состояние человека, либо через психическое, что повлечет за собой нарушение когнитивного процесса, т.е. процесса осознания.

Звук может выступать как психотронное (также его называют информационным) оружие [1]. Отличительными чертами, которыми обладает оружие такого вида, являются массовость, неконтролируемость, успешность выполнения. Особенности проявления такого воздействия на организм человека:

• •    частичное нарушение психического состояния человека;

• •    предопределенная обработка сознания человека (зомбирование);

• •    проявления сбоев в жизнеобеспечении всего организма либо отдельных систем органов и т.д.

Злоумышленнику не составит труда воссоздать ультразвук, например, с использованием вибрирующих дисков из пьезоэлектриков, поэтому, вследствие непредсказуемости воздействия и наличия «белых пятен» в исследовании природы его поражающего действия, имеет смысл анализ способов его своевременного обнаружения для предотвращения неутешительных последствий. Большинство стран поддерживает идею комплексного подхода к защите от внутренних и внешних угроз, связанных с применением информационных технологий в целях осуществления враждебных действий и актов агрессии, соответственно, необходимо рассматривать все возможные виды оружия, в том числе акустическое, и мониторить случаи и способы их применения.

Характеристика звука

Свойствами звука, которые относят к группе его объективных характеристик, называют присущие ему физические особенности. Качество звука является отражением физических свойств, имеющих взаимосвязь со слуховыми ощущениями человека. Основные характеристики звука представлены в таблице.

26 в ыпуск 1/2020

Основные характеристики звука

Характеристики	Содержание
Физические (объективные)	Частота. Интенсивность. Скорость. Амплитуда. Звуковое давление
Физиологические (субъективные)	Высота тона. Тембр. Громкость

Изучая практическое значение каждой из характеристик, необходимо прежде всего исследовать физический смысл производимого звука с целью проведения анализа его воздействия на человека. Для этого следует рассматривать такие характеристики, как частота и интенсивность звука.

В соответствии с частотой, измеряемой в герцах, из всего спектра звуков выделяют слышимый диапазон (16–20 000 Гц), инфразвуки (до 16 Гц) и ультразвуки (свыше 20 кГц).

Интенсивность звука или уровень звукового давления, измеряемый в децибелах, имеет нижний погод слышимости – 0 дБ, а верхний – свыше 140 дБ. Соотнеся такие характеристики, как частота и интенсивность звука, в схематичном виде можно представить область, ограниченную порогом слышимости и порогом болевого ощущения для человека (рис. 1).

Рис. 1. Зависимость уровня громкости от звукового давления и частоты (кривая слышимости)

Уровень громкости звука выражается в фонах и численно равен уровню звукового давления в 1 дБ, создаваемого синусоидальным тоном частотой 1 кГц такой же громкости,

Груба М.Г., Фоменко Ю.С., Калиниченко С.В. Анализ воздействия... 27

как и измеряемый звук. На рисунке 1 изображено семейство кривых равной громкости, называемых также изофонами. Они представляют собой графики стандартизированных зависимостей уровня звукового давления от частоты при заданном уровне громкости.

Анализ способов мониторинга воздействия звуковых волн

На сегодняшний день существует бесчисленное множество аудиоредакторов – программ для редактирования готовых музыкальных произведений и выполнения других работ со звуковыми файлами: записи речи с микрофона, наложения эффектов и даже мастеринга. Многие из них представляют собой компактные приложения с поддержкой многоязыковых интерфейсов и возможностью обработки звуков разных форматов [2]. Прослушивание звука осуществляется среднестатистическим человеком не реже 1–2 ч в сутки, поэтому вряд ли кто-то анализирует звук перед прослушиванием и тем более задумывается о возможном воздействии на него самых опасных инфразвуковых колебаний. Заниматься анализом звука в процессе его прослушивания может соответствующее программное или аппаратно-программное обеспечение.

Задача преобразования звукового сигнала из временной области в частотную решается путем использования преобразования Фурье. Этот инструмент позволяет разбивать пространственные или временные функции на синусоидальные составляющие, которые имеют свою частоту, фазу и амплитуду.

Рассмотрим ситуацию. Пусть у нас есть звуковое колебание в виде функции x = f ( t ) . Пусть это колебание записано в виде графика для отрезка времени [0, T]. Для обработки необходимо выполнить дискретизацию. Отрезок разделяется на N –1 равных частей, пусть границы t_n = nT / N . Тогда сохраняются N значений функции на границах частей: x n = f ( t n ) = { x 0 , x 1 , x 2 , ™ , x N } (рис. ²⁾.

Рис. 2. Дискретизация сигнала

После прямого дискретного преобразования Фурье (ДПФ) было получено N значений для X :

^k                                              N - 1     - j 2 π kn

X k = ∑ x n e ^N .

n = 0

Выполним обратное преобразование Фурье:

i N - 1

j 2 n kn

N

• X - = N ^ X k e

N k = 0

28 в ыпуск 1/2020

Разложим каждое комплексное X_k на мнимую и действительную составляющие X k = R + jl , в то время как экспоненту - по формуле Эйлера на синус и косинус действительного аргумента; перемножим; внесем 1 / N под знак суммы и перегруппируем элементы в две суммы, получим

, N - 1 х =—У х, n N S

( 2 п kn cos

< N .

+ j sin

Re cos N

2 n kn

N

Im --sin

N

2 n kn

N

Im    ( 2 n kn

+-- cos -----

N <  N •

Преобразуя из действительного числа x_n , получим две суммы, одна из которых помножена на мнимую единицу j . Сами же суммы состоят из действительных слагаемых. Отсюда следует, что вторая сумма должна быть равна нулю. Отбросим ее и получим

N ^-1 Г Re    ( 2 n kn )

X„ = / — cos ---- n Г о L N   <  N ^

Im   ( 2 n kn

--sin ------

N <  N •

При дискретизации мы брали t_n = nT / N , выполнить замену: n = tnN /T . Следовательно, в синусе и косинусе вместо 2 π kn/N можно написать 2 π ktn /T . В результате по-

лучим

N - 1 X n = f ( t ) = i k = 0

Re cos N

2n kt A

T )

Im --sin

N

2nkt A

T )

Сравним эту формулу с формулой (2) для гармоники:

( X n = R e cos

V

^ 21-T

—

I m

sin

2n t

T

V У

Слагаемые суммы (1) аналогичны формуле (2), а формула (2) описывает гармоническое колебание. Значит сумма (1) представляет собой сумму из N гармонических колебаний разной частоты, фазы и амплитуды:

X n = A cos

2πt

--+

T

)

φ

= A cos ( wt + ф ) .

Преобразуем по формуле косинуса суммы:

X n = A cos ( ф ) c os

—

F sin ( ф ) sin

По величинам Re и Im можно однозначно восстановить амплитуду и фазу исходной гар- моники:

ф = arctg

и

X k = A cos

φ

Груба М.Г., Фоменко Ю.С., Калиниченко С.В. Анализ воздействия...    29

Выполним такое же преобразование для слагаемых суммы (1), преобразуем их из вида

• (2)    в^{вид (4):}                     ” - 1 Г     (_2п t     М ” - 1

f(t)=S Acos|,+ ф| =ЁG(t)•

k = 0 _       \ T         ) _ k = 0

Далее будем функцию (5) называть k -й гармоникой:

( 2nt ^

G k ( t ) = ^{A cos} I — ⁺ ф 1 •                            (5)

Для вычисления A_k и φ _k надо использовать формулу (3). Теперь выпишем в одном месте все формулы, которые связывают амплитуду, фазу, частоту и период каждой из гармоник с коэффициентами X_k :

^Xk = ^Re_k + j I m _k :

X k = NA k e j " ;

A k = -N 7 R e ^{2 +} I m ² ;

Ф = arctg ( X k ) .

Функция arctg ( X_k ) - это аргумент комплексного числа.

Сигналы оцифровываются и хранятся в виде набора чисел (отсчетов). Схема измерения и оцифровки сигнала выглядит следующим образом (рис. 3).

Рис. 3. Схема измерительного канала

Сигнал из датчика поступает на АЦП в течение периода времени Т . Полученные за время Т отсчеты сигнала (выборка) сохраняются в памяти для дальнейшего построения графика оцифровки сигнала (рис. 4).

Рис. 4. Оцифрованный сигнал ( N отсчетов, полученных за время Т )

Выпуск 1/2020

По теореме Котельникова, если непрерывный сигнал имеет спектр, ограниченный максимальной частотой Fмакс, то он может быть полностью и однозначно восстановлен по его дискретным отсчетам, взятым через интервалы времени T =     , т.е. с частотой макс

F_s ≥ 2 F _макс , где F_s – частота дискретизации; F _макс – максимальная частота спектра сигнала.

Прямое вычисление ДПФ для больших N неэффективно вследствие отсутствия возможности обеспечения применения данного вычисления в режиме реального времени.

ДПФ является строгим математическим преобразованием, тогда как быстрое преобразование Фурье (БПФ) ориентировано на увеличение скорости производимых вычислений за счет сокращения расчетных операций, сохраняя при этом желаемую точность, но немного уступая по данному критерию ДПФ. Сложность алгоритма ДПФ - O ( n 2 ) , а БПФ - O ( n log ( n ) ) . Оперативность осуществляемого процесса, исходя из поставленной в данной статье задачи, должна стоять на первом месте. Следуя этому требованию, считаем выбор БПФ в качестве математической базы рациональным решением.

Чтобы уменьшить вычислительные затраты, разработаны алгоритмы БПФ, основан-

• - j 2 π kn

ные на периодичности ядра преобразования: e ^N . Выбор ширины частотных полос зависит от желаемой детальности диагностики.

В результате полученный спектр можно разделить на полосы, набор гармоник в каждой из которых будет соответствовать определенному диапазону частот в целях дальнейшего мониторинга звуков.

Заключение

Человек, являясь социальным субъектом и находясь в постоянно развивающемся информационном обществе, подвержен его непрекращающемуся воздействию. Звуковая информация может быть рассмотрена как некое средство к существованию, без которого человек не сможет сохранять свое место в социуме. Из-за существующих хорошо отлаженных методик реализации неконтролируемого человеком процесса информационного воздействия, в том числе звукового, вопрос о наблюдении изменений воздействующих факторов на психофизическое состояние человека является перспективным и актуальным для подробного исследования.

Данная тема не теряет актуальности десятки лет, и, поскольку в этой области проведены многочисленные исследования и вложены значительные средства, она нуждается в критическом анализе. Доказано, что музыка также влияет на человека, причем феномен данного влияния на различных структурно-функциональных уровнях различными музыкальными стилями имеет место и не противоречит положениям теорий воздействия музыки на человека. Возможная война будущего может носить преимущественно информационно-психологический характер, где ведущую роль играют средства массовой информации, а ударной силой является телевидение.

На основе физики процессов распространения звуковых волн и соответствующего математического аппарата необходимо создать аппаратное или программно-аппаратное техническое устройство, которое позволит исключить возможность поражения жизненно важных органов и непроизвольного изменения общего психофизического состояния человека, снизит риск появления ошибок в действиях оператора любого средства автоматизации.

Алимов Н.И., Пономарев А.Л., Шубин Д.А. Методика оценивания эффективности...    31