Основні поняття щодо вимірювань технічних каналів витоку мовної інформації

4.1.1 Основні поняття, визначення й одиниці вимірювання в акустиці

Звук – це коливальний рух пружного середовища. Звукове поле являє собою простір, в якому поширюються звукові коливання. Звукові коливання у газоподібному та рідкому середовищі являються подовжніми, бо частки речовини коливаються уздовж лінії поширення звуку. Під впливом джерела звуку створюються стиснення та розрідження середовища, які переміщаються від джерела зі швидкістю звуку.

Процес поширення коливального руху у середовищі називається звуковою хвилею. За один повний період коливання Т звуковий процес поширюється у середовищі на відстань, яка дорівнює довжині хвилі λ = 1/ Т (рис. 4.1).

 

Рисунок 4.1 – Повний період коливання

 

Довжина хвилі залежить від швидкості поширення звуку у середовищі.

С _{повітря} = 340 м/с С _вода = 1490 м/с.

С _цегла = 2300 м/с. С _бетон = 3700 м/с.

С _сталь = 5200 м/с.

 

Звукове поле характеризується лінійними й енергетичними величинами.

Тиск p ₀ середовища за відсутності звукових коливань називають статичним (рис. 4.2). За поширенням звукової хвилі тиск у певній точці середовища неперервно змінюється. При згущенні часток тиск збільшується та стає більшим за статичний, при розрідженні – навпаки, стає меншим за статичний.

Хвилеподібна зміна щільності р середовища, що обумовлене звуковими коливаннями, називають звуковим променем, а поверхню з однаковими фазами коливання називають фронтом хвилі. Фронт хвилі перпендикулярний звуковому променю.

Звуковим тиском називають різницю між миттєвим значенням тиску у певній точці простору та статичним тиском:

p _зв(t) = p _мгн(t) − p ₀. (4.1)

Звуковий тиск є знакозмінною величиною та визначається як сила, що діє на одиницю площі:

p _зв(t) = F/S [Н м²].

 

р мит

Рисунок 4.2 – Зміни звукового тиску у фіксованій точці звукового поля

 

Таким чином, зміна тиску у звуковій хвилі відносно середнього значення називається звуковим тиском Р та вимірюється у паскалях. Один паскаль – це тиск, що створюється силою в один ньютон, яка діє на площу в один квадратний метр.

.

В акустиці прийнято використання відносних одиниць вимірювання звукового тиску – децибел.

(4.2)

У якості Р ₀ обрана величина Р = Р ₀ = 2∙10^-5 Па, що відповідає мінімальному звуковому тиску, який сприймається людським вухом. При цьому зміна рівня звукового тиску на 1 дБ є мінімальною величиною зміни гучності, що розрізняється слухом людини.

4.1.2 Звукові сигнали

Інформація, носієм якої є акустичний сигнал, називається акустичною.

Якщо джерелом акустичної інформації є людська мова, то така інформація називається мовною.

Акустичний сигнал – це збурення пружного середовища різної форми та тривалості (акустичні коливання), що поширюються від джерела у навколишній простір.

Розрізняють первинні та вторинні джерела акустичних коливань. До первинних відносяться безпосередні джерела (наприклад, органи мови людини), а до вторинних – різного роду перетворювачі (пьєзоелементи, мікрофони, гучномовці тощо).

Усі звуки поділяються на декілька груп.

Чисті тони. Числі тони мають місце, коли звуковий тиск є гармонічною функцією з постійною частотою, амплітудою та початковою фазою.

Співзвуччя. Співзвуччя являє собою стаціонарний звук, що складається з декількох тонів. Часто під співзвуччям розуміють комбінацію основного тону з декількох обертонів із кратними частотами. Його можна розглядати як суму певних гармонік ряду Фур’є.

Амплітудно-модульовані тони є нестаціонарними сигналами постійної частоти, амплітуда яких є функціями часу. Спектр АМ коливань має носійну частоту та дві бокові складові.

Частотно-модульовані тони. Характеристиками частотно-модульованого сигналу є носійна частота, частота модуляції, девіація носійної частоти й індекс модуляції. Індекс модуляції є відношення девіації частоти до моделювальної частоти. Чим більше індекс модуляції, тим більше бокових складових у частотному спектрі. За невеликих індексів спектр ЧМ-сигналів такий самий, як і в АМ-сигналів. Частотний інтервал між складовими спектра ЧМ-сигналів дорівнює моделюючій частоті.

Биття. Якщо два тони мають однакові частоти й амплітуди, то за зміни різності фаз сигналів виникає биття. На слух воно сприймається як періодична зміна гучності тону.

Шуми. Звуки з неперервним спектром називаються шумами. За типом обвідної амплітудно-частотного спектра шуми поділяються на білий, рожевий та рівномірно-маскувальний. У залежності від ширини частотного спектра шуми можуть бути широкосмуговими, вузькосмуговими, октавними, третинооктавними тощо.

Білий шум характеризується спектральною щільністю, яка не залежить від частоти. Графіком спектральної щільності білого шуму є горизонтальна пряма в усьому частотному діапазоні (рис. 4.3).

Рожевий шум. Спектральна щільність рожевого шуму рівномірно спадає до області високих частот (пряма 2 на рис. 4.3). При цьому енергія шуму рівномірно розподіляється за всіма октавами.

 

 

Рисунок 4.3 – Частотні характеристики спектральної щільності: 1 – білого шуму, 2 – рожевого шуму, 3 – рівномірно маскувального шуму.

 

Рівномірно маскувальний шум. В області нижніх частот 0…500 Гц цей шум має характеристики білого шуму, а після цього діапазону на вищих частотах він має властивості рожевого шуму. Тим самим враховуються особливості органа слуху людини. Однакове маскування в усьому діапазоні частот обумовлена тим, що критичні смуги слуху до 500 Гц приблизно однакові, а далі зі зростанням частоти їхня ширина лінійно зросте. При дії широкосмугового шуму слуховий аналізатор виділяє із суцільного спектра дискретний спектр, число складових якого дорівнює числу критичних смуг слуху. За сприймання звуку, слуховий апарат поділяє його на критичні смуги. У діапазоні частот від 20 до 16000 Гц таких смуг є 24.

На частотах до 500 Гц ширина критичних смуг (частотних груп) дорівнює приблизно 100 Гц. На частотах вище 500 Гц ширина критичних смуг збільшується пропорційно середній частоті смуги.

На інтервалах критичних смуг слух інтегрує збудження за частотою. Слух сприймає не загальну потужність шуму, а лише потужність шуму у критичних смугах слуху. Рівномірно маскувальний шум можна сформувати спеціальним фільтром із сигналу білого шуму.

Порогом чутності називають найменше значення подразнюючої сили (звукового тиску) чистого тону, яке викликає відчуття звуку. Поріг чутності залежить від частоти. На частоті 1000 Гц він дорівнює приблизно 10 … 12 Вт/м². Абсолютний поріг чутності являє собою поріг, що виміряний у повній тиші для гармонічного сигналу. Він визначається як середньостатистична величина для людей віком 18 … 20 років за дії сигналу тривалістю не менше 250 мс. Крива рівня абсолютного порогу чутності показана на рис. 4.4 [10, с. 73]. Нульовому рівню відповідає звуковий тиск 2∙10^-5 Па.

 

 

 

Рисунок 4.4 – Криві абсолютного та больового порогів чутності

 

За звукового тиску 60…80 Па людина відчуває тиск на вуха. Ця величина тиску називається порогом чутності.

Тиск понад 150…200 Па викликає больові відчуття в органах слуху і називається больовим порогом (див. рис. 4.4).

Частоти звукових коливань знаходяться у смузі частот від 20 до 20000 Гц. Частоти нижче 20 Гц не сприймаються органом слуху людини та називаються інфразвуковими. Частоти вище 20000 Гц називають ультразвуковими. У системі телекомунікацій довжини звукових хвиль знаходяться у межах від 17 м до 1,7 см. Частоти звукових коливань поділяють на низькі (від 20 до 500 Гц), середні (від 500 до 2000 Гц) та високі (від 2000 до 20000 Гц).

В акустиці за частотного аналізу сигналів використовують стандартизовані частотні смуги шириною 1 октаву, 1/3 октави, 1/12 октави.

Октава – це смуга частот, в якій верхня гранична частота у два рази більше нижньої граничної частоти.

Δ f = (f _В – f _H ) = 1 окт, якщо f _В = 2 f _H.

Центральні частоти стандартних октавних смуг відповідають наступному ряду:

2, 4, 8, 16, 31.5, 63, 125, 250, 500, 1000, 2000, 4000, 8000, 16000 (Гц)

 

Октаву поділяють на частини: напівоктаву та третинооктаву (рис. 4.5).

 

Рисунок 4.5 – Октавна та третинооктавна шкала частот

 

Спектри можуть бути суцільними. Суцільні спектри характеризують залежність спектральної щільності від частоти. Цю залежність називають також енергетичним спектром. Спектральною щільністю називають інтенсивність звуку у смузі частот шириною, яка дорівнює одиниці частоти. Для акустики цю смугу беруть рівною 1 Гц. Спектральна щільність J = I _{Δ f} /Δ f, I _{Δ f} – інтенсивність звуку, виміряна у вузькій смузі Δ f за допомогою вузькосмугових фільтрів.

В акустиці введено логарифмічну міру щільності – спектральний рівень

B = 10 lg(J/I ₀), (4.3)

де I ₀ = 10^{− 12} Вт/м – інтенсивність звуку, що відповідає нульовому рівню.

 

Мовний сигнал являє собою складний частотно- й амплітудно-модульований шумовий процес, що характеризується такими статистичними параметрами: частотний діапазон, рівень мовних сигналів, динамічний діапазон. Частотний діапазон лежить у межах 70…7000 Гц. Енергія акустичних коливань у межах вказаного діапазону розподілена нерівномірно.

Рівні мовних сигналів. У різних умовах людина обмінюється усною інформацією з різним рівнем гучності. При цьому створюються наступні рівні звукового тиску:

– тихий шепіт 30…40 дБ;

– спокійна бесіда 55…60 дБ;

– виступ в аудиторії без

...засобів звукопосилення 65…70 дБ.

Динамічний діапазон. Рівень розмови за озвучування одного повідомлення може змінюватись у значних межах. Різниця між квазімаксимальним і квазімінімальним рівнем для різних видів мови складає:

– дикторська мова 25…35 дБ;

– телефонна розмова 35…45 дБ;

– драматична мова 45…55 дБ.

4.1.3 Технічні канали витоку мовної інформації

Класифікацію технічних каналів витоку акустичної (мовної) інформації проводять залежно від природи виникнення, середовища поширення та способів перехоплення акустичних сигналів. Технічні канали витоку акустичної (мовної) інформації можуть бути повітряними, вібраційними, електроакустичними, оптико-електронними (лазерними), параметричними.

У повітряних технічних каналах витоку інформації середовищем поширення акустичних сигналів є повітря і для їхнього перехоплення використовуються мікрофони – мініатюрні високочутливі або спеціальні вузьконаправлені. Мікрофони можуть з’єднуватися) з пристроями запису мови (магнітофонами, диктофонами) або спеціальними мініатюрними передавачами.

Подібні комплексовані пристрої називають заставними пристроями перехоплення мовної інформації, або акустичними закладками.

Перехоплена заставними пристроями мовна інформація може передаватися радіоканалом, оптичним каналом (в інфрачервоному діапазоні довжин хвиль), мережею електроживлення, з’єднувальними лініями додаткових технічних засобів, сторонніми провідниками.

Приймання інформації, що передається заставними пристроями, здійснюється спеціальними приймальними пристроями відповідного діапазону. Є заставні пристрої, приймання інформації з яких можна здійснювати зі звичного телефонного апарату. Подібний пристрій конструктивно об’єднує мініатюрний мікрофон і спеціальний блок комутації («телефонне вухо»). Блок комутації підключає мікрофон до телефонної лінії («телефону – спостерігачу», встановленому у контрольованому приміщенні) при дозвоні за певною схемою або при подачі у лінію спеціального сигналу.

У вібраційних каналах витоку інформації можуть застосовуватись: перехоплення стетоскопами, радіостетоскопами, стетоскопами з передаванням в інфрачервоному діапазоні, стетоскопами з передаванням будівельними конструкціями.

В електроакустичних каналах витоку інформації можуть застосовуватись: перехоплення через допоміжні технічні засоби, що мають «мікрофонний ефект», з підключенням до них, перехоплення через допоміжні технічні засоби шляхом ВЧ - нав’язування.

В оптико-електронних (лазерних) каналах витоку інформації застосовують перехоплення шляхом лазерного зондування шибок.

У параметричних каналах витоку інформації можуть застосовуватись: перехоплення шляхом приймання ПЕМВ допоміжних технічних засобів (на частотах ВЧ-генераторів, модульованих акустичним сигналом), перехоплення шляхом ВЧ-опромінення спеціальних напівактивних заставних пристроїв.

Мікрофони, об’єднані з апаратурою запису мови (диктофони) дозволяють отримувати інформацію не у реальному масштабі часу, а із затримкою, оскільки для її отримання необхідно періодично замінювати або саму закладку, або носій, на який записується мовний сигнал.

Використання заставних пристроїв вимагає проникнення на контрольований об’єкт. У тому випадку, коли це неможливо, можуть бути використані направлені мікрофони.

У вібраційних (структурних) технічних каналах витоку інформації середовищем поширення акустичних сигналів є конструкції будівель (стіни, стелі, підлоги), труби водопостачання, каналізації, опалювання та інші тверді тіла. Для перехоплення акустичних коливань у цьому випадку використовуються електронні стетоскопи (контактні мікрофони).

Стетоскопи, як і мікрофони, комплексуються з передавачами інформації різних діапазонів електромагнітних хвиль (найчастіше – радіохвиль; у цьому випадку заставний пристрій називають радіостетоскопом). Для перехоплення інформації використовуються спеціальні приймачі, аналогічні тим, які використовуються для організації повітряних технічних каналів витоку інформації.

Електроакустичні технічні канали витоку акустичної (мовної) інформації виникають за рахунок електроакустичних перетворень акустичних сигналів в електричні.

Перехоплення мовної інформації по електроакустичному каналу можливе через допоміжні технічні засоби, що мають мікрофонний ефект, а також шляхом високочастотного нав’язування.

Деякі елементи допоміжних технічних засобів (трансформатори, котушки індуктивності, електромагніти вторинного електрогодинника, пристроїв дзвінків телефонних апаратів, дроселі ламп денного світла тощо) мають властивість змінювати свої параметри під дією акустичного поля. Зміна цих параметрів призводить до того, що у ланцюгах цих елементів або виникає електро-рушійна сила (ЕРС), значення якої залежить від величини звукового тиску, що змінюється, або відбувається модуляція струмів, що протікають у них. Ефект перетворення акустичних коливань в електроакустичні називають мікрофонним ефектом. Найбільшу чутливість до акустичного поля мають абонентні гучномовці та деякі датчики пожежної й охоронної сигналізації.

Перехоплення акустичних коливань у даному каналі здійснюється шляхом безпосереднього підключення до з’єднувальних ліній допоміжних технічних засобів зв’язку (ДТЗС) спеціальних високочутливих низькочастотних підсилювачів. Канал витоку за рахунок високочастотного нав’язування утворюється шляхом несанкціонованого контактного введення струмів ВЧ у ланцюги ДТЗС, що володіють мікрофонним ефектом, з метою підвищення якості перехоплюваного сигналу, а також для забезпечення безконтактного перехоплення випромінюваного технічного засобу, модульованого ВЧ-сигналу (за допомогою високочутливих приймачів). Такий метод використовують на телефонних лініях, що мають вихід за межі контрольованої зони.

Оптико-електронний (лазерний) канал витоку мовної інформації утворюється при опромінюванні лазерним променем вібруючих в акустичному полі тонких відбивальних поверхонь (шибок, дзеркал, картинних стекол). Відбите лазерне випромінювання (дифузне або дзеркальне) модулюється за амплітудою та фазою відповідно до коливань відбивальної поверхні та приймається приймачем оптичного (лазерного) випромінювання. Лазер і лазерний приймач можуть встановлюватися в одному або різних місцях (приміщеннях).

Для перехоплення мовної інформації за даним каналом використовуються складні лазерні акустичні локаційні системи, називані лазерними мікрофонами.

Параметричні технічні канали витоку мовної інформації – канали, утворювані за рахунок високочастотного опромінювання елементів технічних засобів зв’язку або пасивних заставних пристроїв.

На рис. 4.6 представлені основні канали витоку інформації із виділеного приміщення. Це акустичні канали, що позначені літерами а, б, в, за якими можна прослухати інформацію за допомогою мікрофонів, або які може прослуховувати людина. Це віброакустичні канали, що позначені літерами г, д, е, якими можна прослуховувати інформацію за допомогою віброметрів, акселерометрів.

 

Рисунок 4.6 – Канали витоку інформації з виділеного приміщення

 

Найбільшу небезпеку являють собою технологічні вікна, короби комунікацій і повітроводи вентиляції. Останні є акустичними хвилеводами, якими звукові коливання можуть поширюватись на великі відстані. Якщо поперечні розміри короба порівняні з довжиною звукової хвилі L ≈ λ, то затухання при поширенні по ньому звуку складає всього δ = 0,01…1 дБ/м. Наступними за ступенем небезпечності є звуководи із розмірами, що значно менші за довжину звукових хвиль L << λ. Такими можуть бути отвори електропроводки, щілини, тріщини у стінах, нещільності у дверних і віконних прорізах тощо.

Звукові коливання можуть поширюватись за межі кімнати за рахунок пере-випромінювання будівельних огороджувальних конструкцій, що викликане падаючими на них звуковими хвилями.

Із теорії коливання мембран і пластин, що може бути застосована до будівельних конструкцій, витікають наступні практичні висновки:

– акустичний опір огороджувальних будівельних конструкцій у напрямі, перпендикулярному їхній поверхні, є невеликим;

– будівельні конструкції мають значну кількість власних мод коливань.

Останнє явище виникає коли довжина падаючої звукової хвилі збігається з довжиною згинальної хвилі у будівельній конструкції та приводить до значного зниження звукоізоляції. Збуджуватись можуть усі моди будівельної конструкції.

Віброакустичні канали.

Будівельні конструкції здійснюють значні коливання під дією акустичних хвиль. Для перехоплення інформації, що переноситься цими коливаннями, можна реєструвати як акустичні коливання, що перевипромінюються цими конструкціями, так і коливання власне цих конструкцій.

Наприклад, цегляна стіна товщиною 0,5 м під впливом звуку зі звуковим тиском Р _ак = 70 дБ здійснює коливання з прискоренням а ≈ 3∙10^{-5 g} . Сучасними методами перехоплення можна почути навіть шепіт. Хоча акустичний пере-випромінений сигнал буде складати всього Р _{ак пр} < 10 дБ.

Монолітний залізобетон, збірні залізобетонні конструкції, цегляна кладка мають низькі показники затухання механічних коливань в області звукових частот.

Перехоплення інформації можливе через декілька поверхів. Вібраційні коливання огороджувальних конструкцій утворюють один із найбільш небезпечних каналів витоку інформації.

Затухання на стиках будівельних конструкцій варіюється у межах від 1…3 дБ до 10…15 дБ. Перехоплення інформації можливе не лише із суміжних приміщень, а й з приміщень, що знаходяться на значній відстані.

Деякі елементи будівельних конструкцій являють собою хвилеводи для акустичних чи вібраційних коливань. До них відносяться труби опалення, водопостачання, електроживлення й інших комунікацій.

Створюються умови хвилеводного поширення на значні відстані. Це особливо небезпечно, коли вони з’єднані із якоюсь поверхнею, наприклад із легкими радіаторами опалення.