Vysoká škola báňská – Technická univerzita Ostrava

Vysoká škola báňská – Technická univerzita Ostrava

Fakulta bezpečnostního inženýrství

Katedra bezpečnostních služeb

Akustický signál a jeho využití v systémech PZTS

Student: Pavel Ježíšek

Vedoucí bakalářské práce: Ing. Petr Bitala, Ph.D.

Studijní obor: Technická bezpečnost osob a majetku

Termín odevzdání bakalářské práce: 27.05.2020

Místopřísežné prohlášení:

„Místopřísežně prohlašují, že jsem celou bakalářskou práci vypracoval samostatně.“

V Ostravě dne 26.05.2020 ……….

Pavel Ježíšek

Poděkování

Děkuji svému vedoucímu bakalářské práce panu Ing. Petru Bitalovi, Ph.D. za odborné vedení, cenné rady a pomoc v průběhu zpracování této práce.

Anotace

JEŽÍŠEK, Pavel. Akustický signál a jeho využití v systémech PZTS. Ostrava, 2020.

45 s. Bakalářská práce. VŠB – TU Ostrava, Fakulta bezpečnostního inženýrství, Katedra bezpečnostních služeb. Vedoucí práce Ing. Petr Bitala, Ph.D.

Bakalářská práce je orientovaná na problematiku využití monitoringu a analýzy akustického signálu při realizaci technické ochrany. Práce je obsahově rozdělena na teoretickou a praktickou část. V rámci teoretické části je diskutována problematika základních poznatků z oblasti akustiky a možností využití akustického signálu v detektorech narušení. V praktické části je následně proveden návrh a realizace experimentálního měření a vyhodnocení získaných dat společně s formulací dílčích poznatků z provedených měření.

Klíčová slova: akustický signál, destrukce skleněných prvků, frekvenční spektrum

Summary

JEŽÍŠEK, Pavel. Acoustic signal and its use in Intruder and Hold-up Alarm Systems.

Ostrava, 2020. 45 p. Bachelor thesis. VŠB – TU Ostrava, Faculty of Safety Engineering, Department of Security Services. Thesis supervisor Ing. Petr Bitala, Ph.D.

The bachelor thesis focuses on the use of monitoring and analysis of acoustic signals in the implementation of technical protection. The thesis is divided into both theoretical, and practical parts. The theoretical part introduces basic information on acoustics and the possibilities of using an acoustic signal in intrusion detectors. The practical part describes the design and realization of experimental measurement and evaluates obtained data, together with the formulation of partial knowledge from the performed measurements.

Keywords: acoustic signal, glass elements destruction, frequency spectrum

Obsah

1 Úvod ... 1

2 Rešerše ... 2

3 Základní pojmy ... 3

4 Akustika ... 4

4.1 Zvuk ... 4

4.2 Vznik a šíření akustického vlnění ... 5

4.3 Akustické veličiny ... 6

4.3.1 Akustický tlak a hladina akustického tlaku ... 6

4.3.2 Akustický výkon a hladina akustického výkonu ... 7

4.3.3 Intenzita zvuku a hladina intenzity zvuku ... 8

4.3.4 Parametry akustické vlny ... 8

4.4 Digitalizace akustického signálu ... 9

4.4.1 Proces digitalizace ... 9

5 Využití akustického signálu v detektorech PZTS ... 11

5.1 Ultrazvukové detektory pohybu ... 11

5.2 Detektory tříštění skla ... 13

5.2.1 Kontaktní detektory tříštění skla ... 13

5.2.1 Bezkontaktní detektory tříštění skla ... 15

6 Pasivní bezkontaktní detektory tříštění skla ... 16

6.1 Mechanismus tříštění skla ... 16

6.1.1 Základní druhy skleněných výplní ... 16

6.2 Zpracování a vyhodnocování akustického signálu ... 17

6.3 Mikrofon detektoru ... 19

7 Experimentální část ... 21

7.1 Zařízení experimentálních sestav ... 21

7.1.1 Zařízení pro snímání a záznam akustického signálu ... 21

7.1.2 Zařízení pro reprodukci akustického signálu ... 23

7.1.3 Pasivní bezkontaktní detektory tříštění skla ... 23

7.1.4 Zkušební systém pro uchycení a rozbití skleněných prvků ... 24

7.2 Použité skleněné prvky ... 26

7.3 Zpracování dat ... 26

7.4 Experimentální měření ... 28

7.4.1 Měření referenčních akustických signálů ... 29

7.4.2 Měření akustických signálů při destrukci skleněných prvků ... 30

7.5 Výsledky měření a diskuze ... 32

7.5.1 Výsledky měření referenčních akustických signálů ... 32

7.5.2 Výsledky měření akustických signálů při destrukci skleněných prvků ... 37

8 Závěr ... 45

Seznam použité literatury ... 46

Seznam obrázků ... 51

Seznam příloh ... 54

Seznam použitých zkratek

Ve smyslu textu této bakalářské práce budou použity následující zkratky v uvedených významech.

3D Trojdimenzionální („three-dimensional“) a.u. Arbitrární jednotka („Arbitrary Unit“)

A/D Analogově-digitální převodník („Analog-to-Digital Converter“)

ASCII Americký standardní kód pro výměnu informací („American Standard Code for Information Interchange“)

BNC Bajonetový Neill-Concelmanův konektor („Bayonet Neill-Concelman connector“)

DPS Deska plošných spojů

ESG Tepelně tvrzená skla („Einscheiben-Sicherheitsglas“) f/U Frekvenčně-napěťový převodník

FET Tranzistor řízený elektrickým polem („Field Effect Transistor“) FFT Rychlá Fourierova transformace („Fast Fourier Transform“) LED Elektroluminiscenční dioda („Light-Emitting Diode“)

PVC Polyvinylchlorid

PZTS Poplachové zabezpečovací a tísňové systémy

STFT Krátkodobá Fourierova transformace („Short-Time Fourier Transform“) txt Textový soubor („Text file“)

US Ultrazvukové detektory pohybu („Ultrasonic Motion Sensors“) USB Univerzální sériová sběrnice („Universal Seriál Bus“)

VSG Vrstvená skla („Verbund-Sicherheitsglas“)

wave Zvukový soubor („Waveform Audio File Format“)

1 Úvod

Poplachové zabezpečovací a tísňové systémy (dále jen PZTS) sehrávají v dnešní době při fyzické bezpečnosti významnou roli. Jejich úkolem je trvale monitorovat dění ve střeženém prostoru, a v případě narušení vyhlásit poplach. K detekci se využívají tzv. detektory narušení, jež jsou předurčeny ke snímání a vyhodnocování charakteristických fyzikálních signálů spojených s pronikáním narušitele a jeho následným pohybem ve střeženém prostoru.

Detektory se podle principu činnosti a způsobu získávání signálů dělí primárně na detektory elektromechanické, elektromagnetické a elektroakustické. Předložená práce se zabývá pouze poslední jmenovanou skupinou, respektive využitím akustického signálu v detekčních mechanismech daných zařízení.

Vzhledem k povaze práce se polovina teoretické části zaobírá základy akustiky, zejména šířením akustického vlnění a základními akustickými veličinami. V druhé části teorie je pozornost věnována nejčastěji využívaným elektroakustickým detektorům.

Kvůli charakteru experimentálních měření je pasivním bezkontaktním detektorům tříštění skla věnována samostatná kapitola. Detekční mechanismus těchto zařízení je totiž založen na vyhodnocování dominantních parametrů akustického signálu vznikajícího pří rozbití a tříštění skleněné plochy.

Mezi zvolené parametry lze zařadit především podobu frekvenčního spektra daného signálu, která se však liší vzhledem k použitému typu skla a jeho rozměrům. Úspěšné vyhodnocování narušení celistvosti skleněných ploch s vysokou odolností proti falešným poplachům je podmíněno zanalyzováním rozsáhlého množství dat, na základě kterých může detektor provádět porovnávání příslušných spekter.

Cílem předložené práce je návrh, realizace a vyhodnocení experimentu umožňujícího monitorování zvolených parametrů akustického signálu významných pro funkci pasivních bezkontaktních detektorů tříštění skla. Koncepce návrhu experimentu společně s postupem následného zpracování dat byla vytvořena tak, aby umožňovala snadnou realizaci měření a vysokou míru reprodukovatelnosti.

2 Rešerše

V rámci řešení této bakalářské práce bylo využito poznatků z níže uvedených publikací.

EVEREST, F. Alton a Ken C. POHLMANN. Master handbook of acoustics. 5th ed. New York: McGraw-Hill, c2009. ISBN 978-0-07-160332-4

Publikace poskytuje komplexní informace o vzniku a vlastnostech zvuku. Dále popisuje fyzikální jevy související s chováním akustického vlnění v prostoru. V posledních kapitolách se kniha věnuje zejména akustice s ohledem na různé typy místností. Poznatky z této publikace byly využity v kapitole popisující akustiku.

LUKÁŠ, L. a kolektiv. Bezpečnostní technologie, systémy a management I. 1. vyd. Praha, 2011. 316 s. ISBN 978-80-87500-05-7

Publikace je zaměřena na principy detekčních mechanismů jednotlivých skupin detektorů a způsoby jejich využití při realizaci technické ochrany. Publikace byla využita v kapitolách týkajících se detektorů narušení.

UHLÁŘ, Jan. Technická ochrana objektů. II. díl, Elektrické zabezpečovací systémy II. 2.

vyd. Praha: Policejní akademie České republiky v Praze, 2009. ISBN 978-80-7251-313- 0

Uvedená skripta poskytují informace o jednotlivých druzích zařízení využívaných při ochraně objektů. Zceluje jak teoretické, tak i praktické poznatky z oboru poplachových zabezpečovacích a tísňových systémů. Skripta byla využita pro popis principů funkcí detektorů narušení.

ČSN EN 50131-2-7-1. Poplachové systémy - Poplachové zabezpečovací a tísňové systémy - Část 2-7-1: Detektory narušení - Detektory rozbíjení skla (akustické). Praha: Český normalizační institut, srpen 2013

Norma je zaměřena na pasivní akustické detektory rozbíjení skla instalovaných v budovách. Umožňuje prokazování funkčních parametrů detektorů s ohledem na jejich předurčenost pro příslušný stupeň zabezpečení. Poznatky z normy byly využity v kapitolách experimentální části.

3 Základní pojmy

Ve smyslu textu této bakalářské práce budou použity následující pojmy v uvedených významech.

Akustika

Vědní obor zabývající se fyzikálními ději, které jsou spojeny se vznikem akustického vlnění, jeho dalším šířením a vnímáním zvuku sluchovým orgánem člověka [48].

Zvuk

Mechanické kmitání v pružném prostředí, které dokáže vyvolat v lidském uchu sluchový vjem [16].

Frekvence

Udává počet dokonaných kmitů za jednu sekundu [16].

Frekvenční spektrum

„Vyjádření rozložení amplitud jednotlivých harmonických složek, ze kterých se signál skládá, v závislosti na frekvenci.“ [20]

Poplachové zabezpečovací a tísňové systémy

„kombinovaný systém určený k detekci poplachu vniknutí a tísňového poplachu“ [12]

Detektor vniknutí

„zařízení konstruované ke generování signálu nebo zprávy o vniknutí, jako reakci na nenormální stav detekující přítomnost nebezpečí“ [12]

Pasivní akustický detektor rozbíjení skla

„detektor instalovány v monitorovém prostoru, který detekuje akustické události způsobené rozbíjením skla šířené vzduchem“ [13]

4 Akustika

Akustika je rozsáhlý vědní obor zabývající se fyzikálními ději a jevy, které jsou spojeny se vznikem, šířením a vnímáním zvuku člověkem. Celý takto označovaný obor lze následně rozdělit na dílčí odvětví z pohledu zkoumaného předmětu a to např. následujícím způsobem:

• Fyziologická akustika – zabývá se vznikem zvuku v hlasovém orgánu člověka a jeho vnímáním sluchovým orgánem.

• Hudební akustika – studuje zvuky s ohledem na potřeby hudby. Zkoumá například hudební tóny, výšky, kombinace zvuků či odvozuje hudební stupnice.

• Prostorová akustika – zabývá se akustickým vlněním v uzavřených prostorech. Dále se dělí na akustiku stavební, geometrickou a dozvukovou.

• Fyzikální akustika – studuje vznik a šíření zvuku jako mechanické vlnění v pružném prostředí. Definuje akustické veličiny či zkoumá odrazivost a pohltivost zvuku v různých materiálech.

• Elektroakustika – zabývá se snímáním, záznamem a šířením zvukového signálu s využitím jeho transformace na vhodnou formu elektrického parametru [40], [48].

4.1 Zvuk

Za zvuk se považuje mechanické kmitání v pružném prostředí, které dokáže vyvolat v lidském uchu sluchový vjem. Lidský sluchový orgán je přitom citlivý pouze na určitou oblast frekvencí mechanického kmitání. Za minimální hranici oblasti slyšitelných frekvencí se podle [48] a [40] uvádí 16 Hz, zatímco podle [6] a [16] 20 Hz. Za maximální hranici oblasti slyšitelných frekvencí se podle [40] a [28] uvádí 16 kHz, zatímco podle [6] a [48]

20 kHz. Oblasti s frekvencí pod minimální hranicí se říká infrazvuk. Oblasti nad maximální hranicí se říká ultrazvuk (viz Obr. 1). Forma šíření infrazvuku, zvuku a ultrazvuku se nazývá akustické vlnění. Zmíněné vlnění je pak reprezentováno tzv. akustickými vlnami [6], [16].

Obr. 1: Ilustrační znázornění rozdělení infrazvuku, zvuku a ultrazvuku s podobou změny harmonického průběhu mechanického kmitání se zvyšující se frekvencí [6], [16]

Prostředí, ve kterém se šíří akustické vlny, se nazývá médium. Za médium se považuje jakékoliv pružné látkové prostředí libovolného skupenství. Podmínkou pro šíření akustických vln v prostředí je tedy existence částic média se vzájemnými vazbami. Z tohoto důvodu se akustické vlny nešíří ve vakuu [16], [28].

4.2 Vznik a šíření akustického vlnění

Předpokladem pro vznik a šíření akustického vlnění je látkové prostředí společně s akustickým zdrojem. Zdrojem akustického vlnění je jakýkoliv objekt, který kmitá kolem své rovnovážné polohy (chvějící se těleso). Tento zdroj přenáší mechanickou energii na částice okolního prostředí. Částice média si přenášejí tuto energii (kinetickou a elastickou) kmitáním dále, přičemž se nepohybují jednosměrně s šířícím se vlněním, ale kmitají kolem svých rovnovážných stavů. Maximální hodnoty výchylek z rovnovážných stavů jsou tedy konečné [16], [28], [40], [48].

S ohledem na směr kmitání jednotlivých částic média se vlnění rozlišuje na příčné a podélné. V případě plynů a kapalin se jedná výlučně o vlnění podélné, zatímco u pevných elastických látek i o vlnění příčné. Princip podélného vlnění spočívá v pohybu částic média ve směru šíření vlnění. Pokud by se pohybovaly kolmo ke směru šíření vlnění, jednalo by se o vlnění příčné. Akustické vlnění se šíří od zdroje dále do prostoru ve vlnoplochách, které se vyznačují stejným akustickým stavem ve všech jejích bodech v daném okamžiku (viz Obr. 2) [16], [48].

4.3 Akustické veličiny

Na akustiku se dá nahlížet dvěma způsoby. Z hlediska subjektivního vnímání zvuku člověkem (výška tónu, barva tónu, hlasitost) a z hlediska objektivního popisování akustických stavů v prostředí. V rámci řešení bakalářské práce budou zmíněny pouze objektivní fyzikální veličiny [16], [28].

4.3.1 Akustický tlak a hladina akustického tlaku

Během akustického vlnění dochází k přibližování (zhušťování) a oddalování (zřeďování) jednotlivých částic média. Když dojde k zhuštění částic, v daném místě se tlak zvýší – vznikne přetlak. Když dojde ke zředění částic, tak se v daném místě sníží – vznikne podtlak (viz Obr. 3). Vznikající změna tlaku způsobená akustickým vlněním se nazývá akustický tlak pa [Pa]. Společně s barometrickým tlakem tvoří tlak statický [16].

Úroveň akustického tlaku, kterou je lidské ucho schopno zaznamenat jako odchylku od tlaku barometrického, se pohybuje v rozmezí 20 µPa až 100 Pa. Lidský sluchový orgán tedy dokáže vnímat akustický tlak o hodnotě 5·10⁹krát menší, než je tlak barometrický

Obr. 3: Znázornění změn akustického tlaku vzhledem k pohybu částic [6], [16]

(101 325 Pa). Tuto skutečnost vnímání podnětů popisuje Fechnerův – Weberův psychofyzický zákon, dle něhož je míra fyziologického vjemu (přibližně) úměrná logaritmu jeho fyzikální příčiny. Následné použití logaritmu je pak výhodné i z hlediska zápisu.

Vzhledem ke zmíněným skutečnostem se zavádí tzv. hladiny, které mají svou příslušnou referenční hodnotu a slouží pro vyjádření dané veličiny v logaritmické stupnici. Hladina akustického tlaku Lp [dB] je poté popsána následující rovnicí (1):

𝐿_𝑝 = 20 log₁₀ 𝑝_𝑎

𝑝_𝑟𝑒𝑓 (1)

kde pref symbolizuje referenční hodnotu akustického tlaku 2·10^-5 Pa. Referenční hodnoty se vždy rovnají 0 dB a vážou se k frekvenci harmonického tónu 1 kHz. Lidské ucho totiž vnímá akustický tlak při různých frekvencích rozdílně (tzv. Fletcherovy-Munsovy křivky).

Z tohoto důvodu byly zavedeny váhové filtry, které jsou aproximací křivek stejné hlasitosti pro různé oblasti hladin akustického tlaku [16], [40], [48].

V rovnici (1) se logaritmuje bezrozměrné číslo, a přesto je výsledná hladina akustického tlaku vyjádřena v decibelech. Z toho vyplývá, že decibel slouží jako obecná jednotka logaritmického podílu dvou hodnot. Samotné vyjádření veličiny v decibelech pak vypovídá o zvýšení (zisku) či poklesu (útlumu) uvažované hodnoty vůči hodnotě referenční.

Například zvýšení hladiny akustického tlaku o 3 dB představuje dvojnásobek předchozí hodnoty [16], [27].

4.3.2 Akustický výkon a hladina akustického výkonu

Akustický výkon je celková energie akustických vln, která je vyzářena ze zdroje za jednotku času. Vyjádření této veličiny v decibelech se nazývá hladina akustického výkonu.

Její referenční hodnota při frekvenci harmonického tónu 1 kHz je 1∙10^–12 W. Hladina akustického výkonu je od ostatních hladin rozdílná tím, že popisuje pouze vlastnost akustického zdroje, zatímco například hladina akustického tlaku popisuje akustický stav v prostoru [16], [48].

4.3.3 Intenzita zvuku a hladina intenzity zvuku

Intenzita zvuku I [W·m^-2] představuje energii vlnění dopadající na jednotku plochy za jednotku času. Následná hladina intenzity zvuku LI [dB]má s hladinou akustického tlaku stejnou hodnotu pouze v případě, kdy je plocha, na které se měří intenzita, kolmá ke směru šíření. Hladiny jsou takto záměrně definovány, neboť hlavní rozdíl mezi akustickým tlakem a intenzitou zvuku tkví v závislosti daných veličin na směru šíření zkoumaného zvuku.

Akustický tlak popisuje stav v daném místě bez ohledu na směr šíření vlnění, zatímco intenzita zvuku je jakožto vektorová veličina závislá na jeho směru. Vzájemný vztah zmíněných hladin je znázorněn v následující rovnici (2):

𝐿_𝐼 = 10 log₁₀ 𝐼

𝐼_𝑟𝑒𝑓= 20 log₁₀ 𝑝_𝑎

𝑝_𝑟𝑒𝑓 = 10 log₁₀ 𝑝_𝑎²

𝑝_𝑟𝑒𝑓² (2)

kde Iref je referenční hodnotou intenzity zvuku 1∙10^-12 W·m^-2. Rovnice (2) platí za podmínky, kdy je zkoumaná plocha kolmá na směr šíření zvuku. V tomto případě je intenzita zvuku rovna druhé mocnině akustického tlaku [16], [27], [48].

4.3.4 Parametry akustické vlny

Akustická energie se přenáší médiem díky kmitání částic, kdy dochází k jejich zhušťování a zřeďování v podobě tzv. akustických vln. Tyto akustické vlny jsou nejčastěji charakterizovány parametry, jako je perioda, frekvence, amplituda, akustická rychlost, rychlost šíření vlny a vlnová délka [16].

Perioda T [s] představuje čas, který je potřebný pro dokonání jednoho kompletního cyklu akustické vlny. Její převrácenou hodnotou se získá frekvence dané akustické vlny.

Frekvence f [Hz] znázorňuje počet dokonaných periodických cyklů (kmitů) akustické vlny za jednu sekundu. Amplituda charakterizuje intenzitu vlnění. Vzhledem k proměnlivosti amplitudy v čase lze v grafické podobě amplitudové charakteristiky identifikovat lokální pozitivní a negativní vrcholy označované jako píky. Akustická rychlost v [m·s^-1] vyjadřuje rychlost kmitání částic média kolem klidové polohy při akustickém vlnění. Rychlost šíření zvuku c [m·s^-1] reprezentuje vzdálenost, kam dospěje zvukový rozruch od místa pozorování za 1 s. Primárně se odvíjí od druhu média a okolních podmínek. Například ve vzduchu je rychlost šíření zvuku při 20 °C 344 m·s^-1. Ve vodě se rychlost šíření zvuku při 20 °C udává

1481 m·s^-1 a ve skle 5 200 m·s^–1. Čím je vyšší teplota média, tím rychleji částice kmitají, a tím je vyšší rychlost šíření zvuku. Vlnová délka λ [m] vyjadřuje vzdálenost, kterou urazí akustická vlna za dobu jedné periody. Vzájemné vztahy některých zmíněných parametrů jsou znázorněny v rovnici (3):

𝜆 = 𝑐 ∙ 𝑇 = 𝑐

𝑓 (3)

Z rovnice (3) taktéž vyplývá, že vlnová délka je nepřímo úměrná frekvenci.

Respektive se zvyšující se frekvencí je vlnová délka kratší a naopak. Například při frekvenci 20 Hz je vlnová délka jedné akustické vlny 17 m, zatímco při frekvenci 20 000 Hz je vlnová délka jedné akustické vlny 17 mm (při rychlosti šíření zvuku 344 m·s^-1) [6], [16], [34], [48].

4.4 Digitalizace akustického signálu

Vzhledem k povaze praktické části této práce je nezbytné zmínit alespoň základní teorii o digitalizaci akustického signálu, neboť správné nastavení procesu digitalizace je nedílnou podmínkou úspěšné realizace experimentu.

Ve sdělovací technice se za signál považuje fyzikální veličina, která nese informaci o stavu systému. Důležitým aspektem signálu je jeho vývoj v čase, nebo v jiné veličině.

Z hlediska vývoje v čase lze signály klasifikovat jako spojité (analogové) a diskrétní.

Analogové signály jsou spojité jak v čase, tak i v amplitudě. Respektive signál nabývá libovolných hodnot na svislé i vodorovné ose od minimální po maximální úroveň. Řadí se zde například signál akustický. Diskrétní signály nesplňují podmínku spojitosti v čase ani v amplitudě. Respektive obor hodnot diskrétního signálu je v omezené skupině hodnot.

Většina těchto signálů vzniká digitalizací analogového signálu [22], [23], [43].

4.4.1 Proces digitalizace

Akustický signál patří mezi signály analogové, ale pro zpracování výpočetními systémy bývá převáděn na signál diskrétní (digitální). Proces převodu analogového signálu na signál diskrétní se nazývá digitalizace. Proces se skládá ze vzorkování a kvantování, kdy nezáleží na pořadí použité operace [4].

Při vzorkování se z analogového signálu vybírají jednotlivé vzorky v definovaných časových bodech (na vodorovné ose). Tyto časové body jsou vymezeny vzorkovací frekvencí, s níž souvisí Shannonův teorém (taktéž nazývaný Shannon – Kotělnikovův teorém). Ten říká, že vzorkovací frekvence musí být alespoň dvakrát vyšší, než je maximální frekvence obsažená ve vzorkovaném signálu, jinak dojde k aliasingu. Aliasing (viz Obr. 4) lze popsat jako zkreslení vzorkovaného signálu a s tím spojenou ztrátu informace. Výsledný vzorkovaný signál je diskrétní v čase a spojitý v amplitudě [4], [22], [23].

Kvantování má obdobný průběh jako vzorkování. Jednotlivé vzorky se však vybírají na svislé ose, která nabývá omezeného počtu úrovní. Tento počet úrovní se nazývá bitová hloubka. Jednotlivé úrovně mají své toleranční pásy, které slouží pro přiřazení vzorku k nejbližší úrovni. Výsledný kvantovaný signál je spojitý v čase a diskrétní v amplitudě.

Z analogového signálu, který prošel procesem vzorkování a kvantování, se stává signál diskrétní (digitální). V praxi digitalizaci analogového signálu provádí A/D převodník, který bývá součástí mikropočítačů [4], [23].

Obr. 4: a) zkreslení původního signálu díky nedostatečné (nízké) vzorkovací frekvenci b) dokonalá reprodukce původního signálu díky dostatečné (vysoké) vzorkovací frekvenci [2]

5 Využití akustického signálu v detektorech PZTS

S ohledem na vlastní praktickou část bakalářské práce jsou v následujících podkapitolách textu zmíněny a popsány vybrané detektory poplachových zabezpečovacích a tísňových systémů. Z důvodu limitovaného rozsahu práce je pozornost zaměřena pouze na detektory, které jsou využívány nejčastěji.

Zařízení PZTS, která využívají ve smyslu detekční funkce vyhodnocování úrovně a změny parametrů definovaného akustického signálu způsobeného (vyvolaného) pohybem pachatele v monitorovaném prostoru, se nazývají elektroakustické detektory narušení [32].

Elektroakustické detektory lze klasifikovat na aktivní a pasivní. V případě aktivních elektroakustických detektorů je do monitorovaného prostoru emitován akustický signál, a detekční princip je následně založen na vyhodnocování změny a úrovně definovaných parametrů vznikajících interakcí tohoto signálu s pachatelem. U pasivních detektorů, je detekční princip vázán pouze na vyhodnocování akustických signálů generovaných v důsledku narušení prostoru pachatelem. Detekce tudíž není vázána na přítomnost vlastního zdroje signálu a jeho emisí do prostoru [32], [51].

5.1 Ultrazvukové detektory pohybu

Ultrazvukové detektory pohybu (dále jen US) jsou aktivní elektroakustické detektory narušení, jenž jsou určeny pro detekování pohybu osob ve vnitřních prostorách objektu, či při střežení interiéru automobilu [5], [32].

US se dále rozlišují z hlediska digitálního a analogového zpracování signálu, přičemž detektory pracující s digitálním signálem obsahují mikropočítač se zabudovaným A/D převodníkem. V současnosti je trendem využití právě detektorů s mikropočítači.

Mikropočítač mimo jiné zjednodušuje konstrukci detektorů, neboť nahrazuje funkci částí, jako je oscilátor, směšovač, f/U převodník a komparátor. Z tohoto důvodu bude popsán pouze princip funkce detektoru s mikropočítačem [32], [51].

Ultrazvukové detektory pohybu se skládají z piezoelektrických měničů v podobě vysílače a přijímače schopných pracovat v oblasti ultrazvukových frekvencí. Vysílačem

a frekvenci. Frekvence vysílaných vln (pracovní frekvence) je u většiny ultrazvukových detektorů 40 kHz. Vysílané ultrazvukové vlny se ve střeženém prostoru odráží a vrací zpět k detektoru, kde jsou přijímány mikrofonem. Mikrofon tento akustický signál přeměňuje na signál elektrický, který poté prochází přes zesilovač a vstupní filtr typu pásmové propusti.

Následně je tento signál digitalizován A/D převodníkem. Po digitalizaci signálu dochází k jeho vyhodnocování díky mikropočítači [18], [32], [51].

Pokud ve střeženém prostoru nedochází k žádnému pohybu, tak se přijaté ultrazvukové vlny vyznačují konstantní amplitudou, fází a frekvencí. V opačném případě jsou tyto parametry přijatého signálu modulovány. Vyhodnocovací mechanismus elektroniky detektoru pak následně využívá identifikace tzv. Dopplerovy frekvence.

Ta vzniká v důsledku Dopplerova jevu, kdy se obecně uvažuje o vzájemné nenulové rychlosti mezi přijímačem a vysílačem, avšak v případě využití Dopplerova jevu v detektorech pohybu je vzájemná rychlost vysílače a přijímače nulová. Zde je vznik Dopplerovy frekvence způsoben odrazem vysílaných vln od pohyblivého objektu ve střeženém prostoru (viz Obr. 5) [17], [32], [51].

Obr. 5: Znázornění principu funkce ultrazvukových detektorů pohybu, kde frekvence vysílaných vln (fv) detektorem (D) je rovna frekvenci odražených vln od statického objektu

(fs) a rozdílná od frekvence odražených vln od pohyblivého objektu (fp) na základě vzniku Dopplerova jevu [37], [39]

5.2 Detektory tříštění skla

Detektory tříštění skla představují jeden z nejvyužívanějších typů detektorů při realizaci plášťové ochrany. Plášť objektu se dělí na prvky stavební (zdi, stěny, podlahy, stropy, střechy … ) a otvorové výplně (okna, dveře a jejich součásti … ), přičemž nejslabším článkem z hlediska vloupání bývají právě otvorové výplně. Pro detekování průniku pachatelem přes skleněné plochy otvorových výplní se v plášťové ochraně využívají detektory tříštění skla. Ty mají za úkol detekovat narušení celistvosti těchto ploch. Jsou použity například při střežení skleněných ploch oken, balkonových dveří, vchodových dveří, výloh obchodů atp. [32], [47].

Detektory při střežení skleněných ploch vyhodnocují zpravidla parametry akustického signálu, které mají svou charakteristickou podobu při tříštění nebo řezání skla.

V praxi se využívají různé typy detektorů, které jsou založeny na rozdílných principech detekčních mechanismů vzhledem ke způsobu jejich využítí. Jejich dělení je následující:

• kontaktní detektory tříštění skla,

o aktivní kontaktní detektory tříštění skla, o pasivní kontaktní detektory tříštění skla,

• bezkontaktní detektory tříštění skla,

o aktivní bezkontaktní detektory tříštění skla,

o pasivní bezkontaktní detektory tříštění skla [32], [47].

5.2.1 Kontaktní detektory tříštění skla

Kontaktní detektory tříštění skla jsou v přímém kontaktu s chráněnou skleněnou plochou. Jsou použity především ke střežení neotevíratelných ploch otvorových výplní ve střeženém prostoru. Řadí se zde i poplachové fólie, tapety, skla a fóliové polepy, avšak tyto prvky fungují na principu přerušení vodivého média, a nikoliv na vyhodnocování parametrů akustického signálu. Ze zmíněného důvodu nebudou tedy dále rozebírány. Zbývající detektory této skupiny se vyznačují vysokou účinností detekování pokusu o průnik, neboť dokážou kromě tříštění skla detekovat i jeho řezání. Další jejich výhodou je značná odolnost vůči planým poplachům. Jejich nevýhodou je vysoká pořizovací cena a skutečnost, že se

Aktivní kontaktní detektory tříštění skla se skládají z mikropočítače a dvou senzorů (vysílače a přijímače), které jsou instalovány na stejné skleněné ploše. Princip funkce spočívá ve vysílání ultrazvukových vln vysílačem do skleněné plochy, kterou se vlny šíří dále až k přijímači. Mikropočítač následně vyhodnocuje změny parametrů přijatých vln.

V případě, kdy dojde k řezání či rozbíjení střežené plochy, se parametry přijímaného signálu změní a dojde k vyhlášení poplachu. Mikropočítač detektoru zároveň automaticky přizpůsobuje své nastavení vzhledem k okolním podmínkám. Stává se tedy odolnějším vůči planým poplachům, které jsou způsobeny změnami tepla, či stárnutím skleněné plochy.

Výrobci uvádí schopnost střežení plochy o velikosti až 25 m². Kvůli své spolehlivosti se využívají hlavně při ochraně objektů s vysokou úrovní rizika, a tomu odpovídá i jejich vysoká pořizovací cena. Zástupce tohoto typu detektoru je na Obr. 6 [47], [49].

Pasivní kontaktní detektory tříštění skla k detekování narušení celistvosti skleněných ploch využívají piezoelektrický senzor. Ten je instalován přímo na střeženou plochu. Stěžejní částí senzoru je piezokrystal, který při své deformaci generuje elektrické napětí na základě piezoelektrického jevu. Tento jev vzniká jen u krystalů, které nejsou středově souměrné a ve své krystalické mříži mají zastoupeny jak kladné, tak i záporné ionty.

V případě, kdy je chráněná plocha mechanicky namáhána, vznikají vibrace, které se šíří po dané střežené ploše až k piezoelektrickému senzoru. Piezokrystal následně generuje elektrické napětí, které se dále vyhodnocuje z hlediska frekvencí, jež jsou charakteristické pro řezání nebo tříštění skla. Pro různé druhy skel se používají různé druhy piezoelektrických senzorů. Při instalaci se senzor umisťuje zpravidla do dolního rohu střežené plochy 50 mm

Obr. 7: Pasivní kontaktní detektor tříštění skla TYXAL + [42]

Obr. 6: Aktivní kontaktní detektor tříštění skla MAGS-S [49]

od hran. Dosah detektorů bývá 1,5 m až 3 m s ohledem na použitý druh skla a jeho tloušťky.

Stejně jako aktivní typ detektoru se i pasivní vyznačuje vysokou spolehlivostí a odolností vůči planým poplachům. V praxi se využívají při ochraně objektů se střední až vysokou úrovní rizika. Zástupce tohoto typu detektorů je na Obr. 7 [40], [47].

5.2.1 Bezkontaktní detektory tříštění skla

Skupina bezkontaktních detektorů tříštění skla, na rozdíl od výše zmíněných, není v přímém kontaktu se střeženou plochou. Bezkontaktní detektory jsou umisťovány ve většině případů nad, nebo naproti střežené ploše. Jejich hlavní výhodou je schopnost střežení více skleněných ploch najednou. Tato schopnost je podmíněna technickými specifikacemi detektoru. Tou nejzákladnější je detekční charakteristika detektoru, která se odvíjí od směrové charakteristiky použitého mikrofonu. Nevýhodou těchto detektorů je skutečnost, že vyhodnocují i parametry akustických signálů nesouvisejících s narušením skleněných ploch.

Z tohoto důvodu jsou bezkontaktní detektory oproti kontaktním více náchylnější k planým poplachům. Dělí se na aktivní a pasivní [29], [47].

Aktivní bezkontaktní detektory tříštění skla se skládají z vysílače a přijímače ultrazvukových vln. Vysílačem detektoru se na střeženou skleněnou plochu vysílají ultrazvukové vlny o konstantní amplitudě a frekvenci. Vysílané ultrazvukové vlny se od střežené plochy odráží a vrací zpět k detektoru, kde jsou přijímány mikrofonem. Následně je tento signál digitalizován A/D převodníkem. Po digitalizaci signálu dochází k jeho vyhodnocování díky mikropočítači. V případě rozbíjení nebo řezání skleněné plochy vzniká chvění, které v důsledku Dopplerova jevu změní frekvenci odražených vln. Mikropočítač poté porovnává přijatý změněný signál se signály uloženými v paměti, které odpovídají rozbíjení nebo řezaní skla. V případě vyhodnocení shody dochází k vyhlášení poplachu. Aby nedocházelo k planým poplachům, neměly by se v jejich zorném poli vyskytovat pohyblivé předměty či proudící vzduch. Taktéž se nedoporučuje instalace více aktivních detektorů v jedné místnosti [32].

Pasivní bezkontaktní detektory tříštění skla budou vzhledem k povaze experimentální části práce podrobněji rozebrány v následující samostatné kapitole.

6 Pasivní bezkontaktní detektory tříštění skla

Pasivní bezkontaktní detektory tříštění skla jsou založeny na vyhodnocování akustické události při překonávání skleněných výplní, kdy během rozbíjení a tříštění skla vzniká akustické vlnění o charakteristických parametrech. Toto vlnění se šíří vzduchem až k detektoru, kde je přijímačem (nejčastěji v podobě elektretového mikrofonu) transformováno na signál elektrický. Logika detektoru přijatý signál porovnává se vzorky signálů v paměti, které jsou charakteristické pro rozbíjení a tříštění daného druhu skla o dané velikosti a tloušťce. Dnes se využívají hlavně vícepásmové detektory, které zpracovávají signály digitálně pomocí mikropočítače. Kvůli své přijatelné ceně, snadné instalaci a schopnosti střežení více skleněných ploch najednou je lze v současnosti označit za nejčastěji využívané detektory při realizaci střežení skleněných ploch [32], [47].

6.1 Mechanismus tříštění skla

Rozbití a následné tříštění skleněné plochy má svůj charakteristický průběh akustického signálu, který se dělí do dvou fází. V první fázi rozbití skla dochází ke vzniku akustické vlny o nízké frekvenci a vysoké amplitudě o velmi krátkém trvání. Příčinou této fáze je úder, nebo hod předmětem na sklo, které se prohne. Pokud je síla úderu dostatečná, průhyb skla překonává mez pevnosti, což vede k praskání skleněné plochy. Během pádu úlomků na podklad vzniká časová prodleva mezi první a druhou fází. Oproti první fázi se druhá fáze, způsobena tříštěním skla, vyznačuje nižší amplitudou a mnohem vyšší frekvencí o delší době trvání [32], [47].

6.1.1 Základní druhy skleněných výplní

Akustické parametry signálu (především frekvence) se mimo jiné liší podle rozměrů a druhu rozbíjeného skla. Z tohoto důvodu je důležité zohlednit, na jaký typ skleněné plochy je detektor určen. Nejpoužívanějším druhem skleněné výplně je tabulové (ploché) sklo, které se dále dělí na skla nezušlechtěná, zušlechtěná a konstrukčně upravená. Jejich zušlechtění souvisí se zlepšením jejich tepelně – technických, světelných, akustických a bezpečnostních vlastností s ohledem na jejich funkci. Podle jejich konstrukčního upravení se dále dělí na skla jednovrstvá, vrstvená a izolační dvojskla či trojskla. Mezi základní jednovrstvá skla se řadí například plavené (float) sklo, které nemá žádné bezpečnostní vlastnosti. Bývá křehké

a tříští se na velké ostré fragmenty skla (viz Obr. 8). Dalším typem jsou tepelně tvrzená skla, která jsou mechanicky odolnější a při destrukci se lámou na velmi malé úlomky – tzv. ESG.

Vrstvená skla se skládají minimálně ze dvou tabulí, mezi kterými je umístěna polyvinylbutyralová fólie, která při rozbití skleněné plochy zabrání rozletění střepů do okolí – tzv. VSG. V případě použití různých bezpečnostních folií a polepů se musí počítat se snížením účinnosti detekce narušení skleněných ploch, neboť dojde k potlačení charakteristických složek v akustickém signálu. Izolační dvojskla a trojskla se skládají z více tabulí plochého skla, mezi kterými se nachází mezery vyplněné inertním plynem, či suchým vzduchem. Úspěšná detekce narušení celistvosti skleněné plochy je zároveň podmíněna dodržením požadavků na její minimální rozměry. Novější druhy detektorů dokážou vyhodnotit narušení ploch o minimálních rozměrech 40 x 40 cm [1], [17], [26], [30].

6.2 Zpracování a vyhodnocování akustického signálu

Akustický signál může být zpracován dvěma způsoby – analogově a digitálně.

Detektory s analogovým zpracováním signálu se vyznačují vyšším počtem falešných poplachů, a proto se v dnešní době využívají především detektory s digitálním zpracováním signálu, jejichž mikropočítače mají zabudované A/D převodníky. Z hlediska počtu vyhodnocovaných frekvenčních pásem se dále rozlišují jednopásmové a vícepásmové detektory, kdy pomocí pásmových propustí dochází k selekci zájmových částí frekvenčního spektra pro spolehlivou detekci tříštění skla a zachování odolnosti vůči planým poplachům.

Obr. 8: Ilustrační zobrazení rozdílné fragmentace skel – a) float sklo, b) tepelně tvrzené sklo (ESG), c) laminované sklo (VSG) [41]

horní propust vysokofrekvenční pásmo (tříštění skleněné plochy). Obecně platí, že čím více pásem je detektor schopen vyfiltrovat a vyhodnocovat, tím více je odolný vůči falešným poplachům a vyznačuje se vyšší spolehlivostí detekční funkce [32], [35], [47].

Vyhodnocování narušení celistvosti skleněných ploch je založeno na analyzování frekvenčního spektra akustického signálu (viz Obr. 9) a jeho následného porovnávání s uloženými vzorky v paměti detektoru. Frekvenční spektrum poskytuje informace o frekvencích a jejich amplitudách obsažených v signálu, respektive reprezentuje složený signál řadou jeho harmonických složek podél frekvenční osy. V praxi se zmíněné spektrum nejčastěji získává použitím algoritmu rychlé Fourierovy transformace (dále jen FFT), která je prováděna v mikropočítači detektoru pomocí jednočipového mikrokontroleru [32], [35].

Logika detektoru, kromě charakteristických frekvencí překračujících dané hodnoty amplitud, vyhodnocuje i jejich pořadí a časovou prodlevu mezi nimi. V detektorech je tato skutečnost zohledněna využitím odměřovače času. Ke zkoumání závislosti amplitudy na čase se využívá časový průběh akustického signálu. K analýze závislosti frekvenčních složek na čase se využívá algoritmu krátkodobé Fourierovy transformace (dále jen STFT), jehož výsledkem je spektrogram signálu. Získané informace o akustickém signálu jsou poté nezbytnou součástí pro efektivní návrh, instalaci a nastavení detektoru, což vede ke zvýšení spolehlivosti detekční funkce a snížení počtu falešných poplachů [7], [45].

Obr. 9: Frekvenční spektrum akustického signálu při rozbití a tříštění skleněné výplně:

a) nízkofrekvenční složka signálu, b) vysokofrekvenční složka signálu [autor]

6.3 Mikrofon detektoru

Mikrofony jsou zařízení, která slouží k transformaci akustického signálu na signál elektrický. Respektive reagují na silové působení akustického tlaku na membránu / materiál mikrofonu. Tyto podněty jsou následně snímány různými způsoby odvíjejícími se od konstrukčního principu mikrofonu. Každý typ mikrofonu se vyznačuje svými specifickými vlastnostmi, které jsou rozhodující pro jeho dané použití. Jedná se například o jejich minimální velikost, cenu, citlivost, dynamický rozsah a směrovou či frekvenční charakteristiku (viz Obr. 10) [14], [33].

Použití pasivních bezkontaktních detektorů tříštění skla je limitováno jejich maximálním detekčním rozsahem (viz Obr. 11 a), který vychází ze směrové charakteristiky mikrofonu. Ta musí být pro efektivní střežení požadované skleněné plochy dostatečně široká, aby bylo zaznamenáno akustické vlnění šířící se z jakéhokoli bodu skleněné plochy.

V praxi se rozlišuje až šest základních směrových charakteristik, avšak v rámci akustických detektorů je nejpoužívanější charakteristika kardioidní (viz Obr. 11 b) [3], [32].

Obr. 10: Frekvenční charakteristika elektretového mikrofonu MCE101DQ [19]

V detektorech se pro své vyhovující vlastnosti nejčastěji využívá elektretový mikrofon (viz Obr. 12), pro který je charakteristická elektretová membrána. Za elektret se považuje nevodivý a permanentně elektricky nabitý materiál. V případě působení akustického tlaku na membránu mikrofonu se mění kapacita kondenzátoru, a to způsobuje velmi malé změny napětí mezi jeho deskami. Napěťové změny jsou následně zesíleny pomocí jednostupňového zesilovače realizovaného s využitím FET tranzistoru, schopného pracovat při hodnotě napájecího napětí v rozmezí 4 - 10 V. Frekvenční rozsah elektretových mikrofonů se většinou pohybuje v rozmezí 20 Hz – 20 kHz, což je pro použití v pasivních bezkontaktních detektorech tříštění skla dostačující jak pro nízkofrekvenční, tak i pro vysokofrekvenční složky akustického signálu při rozbíjení a tříštění skla. Díky svému jednoduchému konstrukčnímu provedení dosahují velmi malých rozměrů, které jsou pro použití v detektorech žádoucí. Zároveň se vyznačují nízkou pořizovací cenou, což vede společně s ostatními vlastnostmi mikrofonu k jejich výběru pro použití nejen v akustických detektorech. Jejich nevýhodou je klesající citlivost v průběhu let v důsledku poklesu elektrického náboje elektretové membrány [31], [36].

Obr. 12: Konstrukční provedení elektretového mikrofonu [38]

7 Experimentální část

V experimentální části bylo pro splnění cíle bakalářské práce užito metody laboratorního experimentu, jejíž realizace by umožňovala monitorování dominantních parametrů akustických projevů desktrukce skleněných prvků. Mezi zvolené parametry patří především frekvenční spektrum daného signálu, kdy jeho analýza bývá v praxi stěžejní součástí detekčních mechanismů pasivních bezkontaktních detektorů tříštění skla.

Před návrhem a realizací hlavní experimentální sestavy, která měla za úkol monitorování parametrů akustického signálu při reálné destrukci skleněných prvků, byla provedena testovací měření. Cílem těchto měření bylo získání nezbytných poznatků pro následný výběr použitých dílčích prvků sestavy včetně nastavení jejich parametrů tak, aby byla garantována vysoká míra reprodukovatelnosti provedených experimentálních měření.

7.1 Zařízení experimentálních sestav

Zařízení využité při realizaci experimentálních sestav pro účely laboratorních měření lze rozdělit do následujících základních částí:

• zařízení pro snímání a záznam akustického signálu,

• zařízení pro reprodukci akustického signálu,

• pasivní bezkontaktní detektory tříštění skla,

• zkušební systém pro uchycení a rozbití skleněných prvků.

Podrobnější popis jednotlivých zařízení použitých při laboratorních měřeních je rozveden v následujících podkapitolách.

7.1.1 Zařízení pro snímání a záznam akustického signálu

Pro snímání akustického signálu bylo využito elektretového a kondenzátorového mikrofonu. Elektretový mikrofon byl součástí elektronického modulu KY-038 obsahujícího mikrofonní předzesilovač, jenž využíval operační zesilovač LM393 (viz Obr. 13 a).

Deklarovaný frekvenční rozsah elektretového mikrofonu byl dle katalogového listu výrobce 50 Hz – 20 kHz. Uvedené parametry plně vyhovovaly požadavkům realizovaných měření.

Modul byl napájen dle parametrů technické specifikace stejnosměrným napětím 5 V pomocí powerbanky. Důvod výběru daného typu mikrofonu vycházel ze skutečnosti, že je využíván v reálných detektorech v praxi. Výstup kondenzátorového mikrofonu C- TECH MIC-(viz Obr. 13 b), s frekvenčním rozsahem 50 Hz – 16 kHz, vedl přes konektor Jack 3,5 mm do PC, kde docházelo k ukládání akustického signálu ve formátu wave. Oba zmíněné mikrofony mají kardioidní směrovou charakteristiku [15], [24].

Snímání akustického signálu z elektretového mikrofonu bylo prováděno prostřednictvím paměťového osciloskopu LeCroy WaveSurfer 42Xs (viz Obr. 14) se vzájemným propojením pomocí stíněného koaxiálního kabelu s BNC konektorem a impedancí 50 Ω. Nastavena vzorkovací frekvence signálu byla pro všechny laboratorní měření 100 kHz (rozlišení 0,00001 s). Naměřená data byla uložena ve formátu txt v podobě ASCII tabulky (čas, hodnota napětí) do paměti osciloskopu, ze které byla dále přes USB rozhraní exportována na přenosný USB disk pro následné zpracování v PC.

Obr. 13: a) elektronický modul KY-038 s operačním zesilovačem LM393 a elektretovým mikrofonem, b) kondenzátorový mikrofon C-TECH MIC-02 [15], [24]

Obr. 14: Osciloskop LeCroy WaveSurfer 42Xs [46]

7.1.2 Zařízení pro reprodukci akustického signálu

Pro generování referenčních akustických signálů o definovaných frekvencích a amplitudách byl použit generátor funkcí Tektronix AFG1062. Signál z generátoru byl reprodukován s využitím dvojice zvukových projektorů AMC SP 10 (viz Obr. 15 a) s deklarovaným frekvenčním rozsahem 130 Hz – 15 kHz a akustickým výkonem 10 W.

Vzájemné propojení bylo realizováno stíněným koaxiálním kabelem s BNC konektorem a impedancí 50 Ω. Při dalším laboratorním měření byl reprodukován zvukový záznam tříštění skleněné tabule pomocí reproduktorové soustavy Logitech S200 OEM (viz Obr. 15 b), která byla tvořena jedním subwooferem o akustickém výkonu 20 W a dvěma satelitními reproduktory o akustických výkonech 5 W. Celkový výkon soustavy tedy činil 30 W s deklarovaným frekvenčním rozsahem 50 Hz – 20 kHz. Soustava byla připojena přes konektor Jack 3,5 mm k PC, ze kterého byl zvukový záznam následně pouštěn [9], [10].

7.1.3 Pasivní bezkontaktní detektory tříštění skla

Během experimentálních měření, kdy docházelo k odzkoušení systému pro uchycení a rozbití skleněných prvků, byla použita dvojice pasivních bezkontaktních detektorů tříštění skla. Aktivace jejich poplachových LED diod při destrukci skleněných prvků sloužila jako referenční údaj o detekční funkci reálných detektorů instalovaných ve vzdálenosti 3 m od místa destruovaných prvků. Při měřeních byl použit detektor GBS- 210 VIVO, jehož

Obr. 15: a) zvukový projektor AMC SP 10, b) reproduktorová soustava Logitech S200 OEM [9], [10]

Druhým použitým zařízením je detektor FG-730, který by měl detekovat narušení celistvosti skleněné plochy o minimální velikosti 280 x 280 mm. Detekce obou zařízení probíhá na základě duální metody vyhodnocování. Respektive se filtrují a vyhodnocují nízkofrekvenční (průhyb skleněné výplně) a vysokofrekvenční (tříštění skla) složky akustického signálu.

Detektory byly napájeny laboratorním zdrojem Diametral P230R51D dle parametru technické specifikace stejnosměrným napětím 12 V [21], [25].

7.1.4 Zkušební systém pro uchycení a rozbití skleněných prvků

Využití zkušebního systému pro uchycení a rozbití skleněných prvků (viz Obr. 16 a) garantuje možnost provádět opakovatelné laboratorní měření za definovaných podmínek, mezi které patří definovaný způsob uchycení skleněného prvku a realizace následné destrukce.

Obr. 16: a) dřevěný stojan s rámem, b) způsob uchycení tabulového skla, c) způsob uchycení zavařovací sklenice [autor]

Rám pro uchycení skleněných prvků byl pro účely experimentu koncipován a sestrojen tak, aby umožňoval uchycení skleněných tabulí o šířce 3 – 10 mm a rozměrech 440 x 440 mm, přičemž viditelná plocha tabule činila 400 x 400 mm (viz Obr. 16 b). Dané rozměry se vážou k minimálním požadovaným rozměrům ploch, při kterých je většina nových typů detektorů schopna detekovat jejich narušení celistvosti. Systém je zejména vhodný pro získávání informací o parametrech akustického signálu vznikajícího při destrukci rozdílných druhů skleněných ploch (ESG, VSG či float sklo) za rozdílných podmínek realizace experimentu (odlišné podklady, zastínění záclonou atp.). Vzdálenost mezi dolní hranou skleněné plochy a podkladem byla 850 mm. Tato vzdálenost je odvozena od požadavku na minimální výšku parapetu při projektování obytných budov [11]. Pro prvotní odzkoušení daného systému a experimentální sestavy bylo využito destrukce zavařovacích sklenic Omnia 720 ml o výšce 150 mm a průměru 80 mm, jež byly uchyceny v rámu pomocí přídavné podpěry a laboratorního zvedáku (viz Obr. 16 c). Data z měření signálu destrukce zavařovací sklenice zároveň poskytla informace vhodné pro porovnání s reprodukovaným signálem destrukce skleněné tabule.

Rozbití skleněných prvků bylo navrženo a realizováno na principu kyvadla, kde jako hmotný bod byla použita ocelová koule (viz Obr. 17) o průměru 40 mm a hmotnosti 0,9 kg.

Koule byla připevněna k ocelovému lanku o průměru 2 mm a délce 1 750 mm. Lanko bylo ukotveno na vodorovném závěsu připevněném ke svislé tyči, jejíž podstava byla umístěna 50 mm za rámem stojanu. Dané parametry systému umožňovaly náraz koule do středového bodu skleněných prvků. Vždy při stejném místě (úhlu) uvolnění koule bylo docíleno definované kolizní rychlosti při úderu. Samotné uvolnění koule bylo realizováno přestřihnutím nastaveného špagátu.

Při přibližném výpočtu kinetické energie a rychlosti koule v okamžiku nárazu se vychází ze zákona zachování mechanické energie a modelu matematického kyvadla, při kterém se zanedbává hmotnost vlákna, odpor vzduchu a tření v závěsu. V tomto případě se kinetická energie Ek [J] koule v nejnižším bodě pohybu (přibližně v momentě nárazu) rovná energii potenciální Ep [J] ve výchozí pozici. Pro zmíněnou situaci lze kolizní rychlost ocelové koule stanovit využitím níže uvedených rovnic:

𝐸_𝑘 = 𝐸_𝑝 (4)

1

2𝑚𝑣² = 𝑚𝑔ℎ (5)

𝑣 = √2𝑔ℎ (6)

kde: m [kg] představuje hmotnost koule, 𝑔 reprezentuje tíhové zrychlení 9,81 m·s^-2, h [m] je výškový rozdíl mezi výchozím bodem a nejnižším bodem pohybu koule a v [m·s^-1] vyjadřuje rychlost koule v nejnižším bodě pohybu [44].

7.2 Použité skleněné prvky

Při hlavním experimentálním měření byla pro monitorování dominantních parametrů akustického signálu využita destrukce reálných skleněných prvků - tabulové sklo a zavařovací sklenice. Tabulové sklo bylo typu čirého (float) jednovrstvého skla, bez jakéhokoli zušlechtění. Skla byla přibližně po 30 let součástí pláště budovy, a tudíž vystavována slunečnímu záření. Po vyjmutí z okenních rámů byla skla o tloušťce 3 mm nařezána na tabule o rozměrech 440 x 440 mm. Pro porovnání parametrů akustického signálu a odzkoušení funkčnosti zkušebního systému byly destruovány i zavařovací sklenice Omnia 720 ml o výšce 150 mm a průměru 80 mm. Prvky byly zvoleny pro svou dostupnost a zároveň dostačující účel pro daná experimentální měření.

7.3 Zpracování dat

Každému experimentálnímu měření daného akustického signálu předcházelo snímání akustického pozadí za účelem jeho odstranění. Následný popis zpracování dat se váže jak k signálu, tak k jeho pozadí.

Data z měření byla zaznamenávána prostřednictvím paměťového osciloskopu LeCroy v ASCII formátu, v podobě příslušného časového vzorku a okamžité hodnoty amplitudy akustického signálu z elektretového mikrofonu. V této podobě byla data z paměti osciloskopu importována pomocí USB disku do softwarového prostředí OriginPro. Zde byla data zpracována s využitím frekvenční analýzy rychlé Fourierovy transformace.

Po zpracování dat FFT bylo ze signálu odečteno jeho pozadí, což vedlo k redukci nechtěného šumu. Výsledkem analýzy bylo získání informací o amplitudové frekvenční charakteristice akustického signálu v daném rozsahu frekvencí za podmínek experimentálního měření.

Proces zpracování dat ilustruje Obr. 18.

Analyzované hodnoty byly dále graficky zpracovány pomocí softwaru OriginPro a Anaconda. Pro tento účel byl napsán zdrojový kód (příloha 1) v programovacím jazyce Python, který umožnil zobrazit frekvenční spektra a časové průběhy více laboratorních měření v jednom 3D grafu.

Pro grafickou analýzu frekvenčních složek v čase (spektrogram) byl použit software Sonic Visualiser, kde byla data importována obdobně jako do softwaru OriginPro a dále zpracována pomocí krátkodobé Fourierovy transformace (STFT).

7.4 Experimentální měření

Cílem realizovaných měření bylo pořídit sady dat, které by poskytly informace o dominantních parametrech akustických signálů vznikajících při destrukci skleněných prvků. Mezi tyto parametry patří především frekvenční spektrum signálu, na kterém je v dnešní době založena většina detekčních mechanismů pasivních bezkontaktních detektorů tříštění skla. Měření byla koncipována ke sběru takových dat, která umožnila posoudit vliv destrukce rozdílných skleněných prvků nad rozdílnými typy podkladů vzhledem k monitorovaným parametrům akustického signálu.

Pro výše uvedený cíl byla realizována experimentální sestava (viz Obr. 19), jež zároveň ověřila výběr použitých dílčích prvků sestavy, včetně nastavení jejich parametrů tak, aby byla garantována vysoká míra reprodukovatelnosti provedených experimentálních měření.

Obr. 19: Schéma experimentální sestavy pro měření dominantních parametrů referenčních akustických signálů [autor]

Před každým měřením bylo nasnímáno pozadí pro jeho odečtení v příslušných signálech. Data z jednotlivých měření byla importována pomocí přenosného USB disku z osciloskopu do PC, kde byla následně zpracována.

7.4.1 Měření referenčních akustických signálů

Část A na výše popsané sestavě sloužila pro provedení série 5 laboratorních měření snímáním generovaného referenčního akustického signálu o definovaných frekvencích a amplitudách. Část B na výše popsané sestavě sloužila pro provedení série 3 laboratorních měření snímáním referenčního reprodukovaného signálu destrukce skleněné tabule.

Postup měření referenčních akustických signálů 200 Hz a 8 kHz

Modul KY-038 s elektretovým mikrofonem byl upevněn do stativu a napájen z powerbanky stejnosměrným napětím 5 V dle technické specifikace modulu.

Prostřednictvím koaxiálních kabelů s BNC konektory a impedancí 50 Ω byl výstup modulu připojen k měřícímu kanálu C1 osciloskopu LeCroy WaveSurfer 42Xs. Nastavená úroveň horizontálního rozlišení osciloskopu byla 500 ms na dílek a úroveň vertikálního rozlišení 1 V na dílek. Doba záznamu jednoho měření činila 5 s při vzorkovací frekvenci 100 kHz.

Jedno měření při daném nastavení obsahovalo 500 000 vzorků (časové rozlišení 0,00001 s).

Naproti elektretového mikrofonu ve vzdálenosti 60 cm byly umístěny dva zvukové projektory AMC SP 10. Jejich vstupy vedly prostřednictvím koaxiálních kabelů s BNC konektory a impedancí 50 Ω na výstupy generátoru signálu Tektronix AFG1062. Pro projektor připojený na vstup generátoru C1 byl generován signál s frekvencí 200 Hz a zároveň pro projektor připojený na vstupu C2 signál s frekvencí 8 000 Hz. Oba signály měly sinusový průběh o amplitudě 4 Vpp. Takto koncipovaná měření umožnila ověřit optimálnost nastavení všech parametrů při sběru a zpracování dat.

Postup měření reprodukovaného signálu destrukce skleněné tabule

Reproduktorová soustava Logitech S200 OEM byla umístěna ve vzdálenosti 600 mm od elektretového mikrofonu, jehož zapojení k osciloskopu včetně jeho nastavení zůstalo totožné s předchozím měřením. Daná soustava byla připojena přes konektor Jack 3,5 mm k PC, ze kterého byl pouštěn zvukový záznam rozbití a tříštění skleněné tabule (příloha 2).

Účelem dané sestavy, díky vždy identickému zvukovému záznamu, bylo ověření vysoké míry reprodukovatelnosti snímání dynamického akustického signálu. Naměřená data reprodukovaného signálu destrukce skleněné tabule mohla zároveň sloužit pro porovnání dat naměřených při reálné destrukci skleněné tabule.

7.4.2 Měření akustických signálů při destrukci skleněných prvků

Na níže popsané sestavě (viz Obr. 20) byla provedena série celkem 9 laboratorních měření snímáním akustického signálu vznikajícího v důsledku destrukce zavařovací sklenice (část A) a skleněné tabule (část B). Díky dané soustavě mohl být zároveň zkoumán vliv rozdílných typů podkladů (část I., II. - PVC, koberec) na parametry akustického signálu.

Postup měření akustického signálů při destrukci skleněných prvků

Naproti stojanu s rámem byly ve vzdálenosti 3 m a výšce 1,05 m nad podkladem (výška středového bodu rámu) uchopeny ve stativech snímací zařízení společně s pasivními bezkontaktními detektory tříštění skla. Napájení a zapojení modulu KY-038 s elektretovým mikrofonem k oscilátoru LeCroy WaveSurfer 42Xs, včetně jeho nastavení, bylo identické s předchozími měřeními. Kondenzátorový mikrofon C-TECH MIC-02 vedl přes konektor Jack 3,5 mm do PC, kde docházelo k ukládání akustického signálu ve formátu wave o přenosové rychlosti 1536 kbps, což odpovídá vzorkovací frekvenci 48 kHz. Důvodem uložení signálů ve formátu wave bylo vytvoření knihovny (příloha 2), jejíž nahrávky mohou v budoucnu sloužit pro reprodukci signálu či další případnou analýzu. Použité detektory tříštění skla GBS-210 VIVO a FG-730 byly napájeny laboratorním zdrojem Diametral P230R51D dle parametru technické specifikace stejnosměrným napětím 12 V. Po každém realizovaném měření byly z důvodu resetování odpojeny a znovu připojeny k napájení.

Rozbití skleněných prvků bylo realizováno na principu kyvadla, díky jehož zvoleným parametrům vedl náraz ocelové koule vždy do středového bodu prvku. Současně bylo docíleno definované kinetické energie a rychlosti koule v momentě nárazu. Ta byla uvedena do pohybu přestřihnutím nastaveného špagátu. Vzniklé střepy byly po každém realizovaném měření odklizeny.

Po uchopení zavařovací sklenice Omnia 720 ml do rámu nad PVC podlahou bylo kyvadlo vychýleno 40° od svislé osy, což se rovná výškovému rozdílu 410 mm. Z rovnic (4) a (5) vyplývá, že kinetická energie koule byla v momentě nárazu rovna přibližně 3,6 J a kolizní rychlost koule dosahovala 2,8 m·s^{- 1}. Po provedení 3 měření se do rámu uchytila skleněná tabule, přičemž výchozí výchylka kyvadla od svislé osy byla 90°. Podle uvedených vzorců byla kinetická energie koule v momentě nárazu rovna přibližně 15,5 J a kolizní rychlost koule dosahovala 5,9 m·s^–1. Po provedení 3 měření se skleněnou tabulí nad PVC povrchem následovaly další 3 měření nad kobercem za identických podmínek.

7.5 Výsledky měření a diskuze

Výsledky experimentálních měření představují nosnou část bakalářské práce.

Realizovaná měření byla zaměřena na získání dat poskytující informace o dominantních parametrech akustického signálu, jejichž analýza je součástí detekčních mechanismů pasivních bezkontaktních detektorů tříštění skla.

Monitorování daných parametrů akustického signálu vznikajících při destrukci skleněných prvků za využití experimentálních sestav vedlo k získání dat, která byla následně zpracována. Zpracovaná data poskytla informace o amplitudové charakteristice, frekvenčním spektru a spektrogramu akustického signálu.

7.5.1 Výsledky měření referenčních akustických signálů

Ze spektrogramu (viz Obr. 21) a frekvenčních spekter (viz Obr. 22 ) získaných z měření generovaného akustického signálu o frekvencích 200 Hz a 8 000 Hz, lze vyvodit korektnost všech nastavení v procesu sběru a zpracování dat, neboť výsledky provedených Fourierových transformací umožnily jednoznačnou identifikaci obou referenčních signálů v příslušných frekvenčních charakteristikách.

Obr. 21: Spektrogram zprůměrovaného referenčního akustického signálu - a) detail frekvence 200 Hz, b) detail frekvence 8 000 Hz [autor]

Na Obr. 21 lze ze spektrogramu vyčíst stálou hodnotu úrovní frekvencí 200 Hz a 8 000 Hz po celou dobu záznamu 5 s. Z detailů a) a b) je zjevná menší odchylka od generovaných frekvencí, která je způsobena úmyslným nastavením menšího rozlišení z důvodu zachování frekvencí se střední úrovní amplitud, neboť zvolené nastavení je pro zachování reference použito i při dalším zpracování dat.

Oba signály byly generovány se stejnou amplitudou 4 Vpp, i přesto je na Obr. 22 výrazný pokles amplitud mezi naměřenými hodnotami 200 Hz a 8 000 Hz. Pokles může být způsoben klesající frekvenční charakteristikou použitého mikrofonu či zvukového

Obr. 22: Frekvenční spektra referenčního akustického signálu - a) detail frekvence 200 Hz, b) detail frekvence 8 000 Hz [autor]

Z amplitudových charakteristik (viz Obr. 23), frekvenčních spekter (viz Obr. 24) a spektrogramu (viz Obr. 25) získaných z měření referenčního reprodukovaného zvukového záznamu rozbití a tříštění skleněné tabule, lze formulovat následující poznatky:

• naměřené sady dat poskytují informace o dominantních parametrech akustického signálu významných pro funkci pasivních bezkontaktních detektorů tříštění skla,

• zvolené nastavení v procesu sběru a zpracování dat zaručuje vysokou míru reprodukovatelnosti měření dynamického akustického signálu,

• reprodukovaný signál destrukce skleněné tabule obsahuje výraznou nízkofrekvenční i vysokofrekvenční složku,

• nízkofrekvenční složka akustického signálu je přítomna pouze v prvních okamžicích destrukce skleněné tabule, zatímco vysokofrekvenční složka je přítomná v průběhu celého akustického signálu.

Obr. 23: Amplitudové charakteristiky reprodukovaného signálu destrukce skleněné tabule [autor]

Část a) na Obr. 24 zobrazuje detail nízkofrekvenčních složek akustického signálu, kde se v pásmu frekvencí přibližně 100 – 300 Hz nachází amplitudy o výrazných úrovních.

Nejvyšší amplitudu v celém frekvenčním spektru pak má právě frekvence 100 Hz. Zmíněné frekvence jsou způsobeny průhybem skleněné tabule, která se prohýbá až ke své mezi pevnosti. Při jejím překonání se tabule tříští a vzniká vysokofrekvenční složka signálu (viz Obr. 24 b). Vysokofrekvenční složky jsou následně generovány i dopadem úlomků skla na podklad, kde dochází k dalšímu tříštění. Z vysokofrekvenčních složek signálu byly pro

Obr. 24: Frekvenční spektra reprodukovaného signálu destrukce skleněné tabule - a) detail nízkofrekvenčních složek, b) detail vysokofrekvenčních složek [autor]