Дослідження впливу акустичного поля на допоміжні технічні засоби та системи

4.3.1 Класифікація акустоелектричних перетворювачів

У будь-якому приміщенні можуть знаходитись різноманітні технічні засоби (ТЗ): це телефон, пожежні й охоронні датчики, оргтехніка, системи зв’язку тощо. У нормальному режимі роботи ці технічні засоби можуть утворювати канали витоку інформації.

Відомі способи несанкціонованого отримання інформації щодо акустики приміщення за рахунок приєднування до ліній телефонних апаратів (особливо до старих апаратів із електромеханічними дзвінками), ліній диспетчерського або гучномовного зв’язку, деяких ліній охоронної сигналізації та ліній електроживлення. Подібні канали витоку створюються за рахунок явища акустоелектричних перетворень (АЕП) в елементах технічного засобу.

Акустоелектричний перетворювач – це пристрій, що перетворює акустичну енергію (тобто енергію пружних хвиль у повітряному середовищі) в електромагнітну енергію у схемах тих пристроїв, в яких знаходяться акустоелектричні перетворювачі. Поширені лінійні акустоелектричні перетворювачі, які задовольняють вимогам неспотвореної передачі сигналу й оборотності, тобто які можуть працювати як випромінювач і, як приймач (задовольняють принципу взаємності).

В основі явища АЕП лежать наступні фізичні ефекти:

– електродинамічний ефект – виникнення електрорушійної сили (ЕРС) (струму) в обмотці, що коливається у магнітному полі;

– електромагнітний ефект – зміна магнітного потоку через феромагнітне осердя при його механічному переміщенні, викликаному акустичними коливаннями і, отже, зміна струму у його обмотці;

– електростатичний ефект – зміна відстані між обкладинками конденсатора (наприклад, повітряного) й отже зміна напруги на ньому;

– зворотний ефект магнітострикції (ефект Велларі) – перетворення механічної енергії, що прикладається до осердя з магнітострикційного матеріалу, в енергію магнітного поля, яка викликає ЕРС в обмотці. Такі конструкції використовуються у фільтрах, резонаторах тощо;

– п’єзоелектричний ефект – виникнення напруги на поверхнях деяких кристалів при їхньому стисненні та розтягуванні;

– тензорезистивний ефект – зміна опору напівпровідникових приладів при застосуванні до них механічних зусиль.

У низці випадків акустоелектричні перетворення виникають за рахунок оборотності дії елементу, закладеного у конструкцію (динаміки), в інших випадках за рахунок неякісного виконання елементів (рихле намотування індуктивностей, зміна відстані між обкладинками конденсатора тощо).

Таким чином, значна кількість елементів різних пристроїв, може мати акустоперетворювальий ефект, і може бути джерелом для створення каналу витоку конфіденційної акустичної інформації.

Методика інструментально-розрахункової оцінки можливості витоку мовної конфіденційної інформації каналами електроакустичних перетворень, розроблена «Гостехкомісією Росії» [10, с. 465]. Метод оцінки полягає в інструментально-розрахунковому визначенні сукупності октавних відношень напруг, що наводяться у сигнальних ланцюгах технічного засобу тестовим акустичним сигналом і шумом за рахунок їхніх акустоелектричних перетворень і подальшим порівнянням цих відношень із нормативними значеннями.

4.3.2 Дослідження акустоелектричних перетворень

Під акустоелектричним перетворенням розуміють перетворення механічної енергії акустичного сигналу окремими пристроями в електричний сигнал (напруга, струм, заряд), модульований за законом зміни акустичного сигналу. У свою чергу, електричні сигнали створюють електричне та магнітне поля, які також можуть утворити канал витоку інформації. Небезпека акустоелектричного каналу витоку полягає у тому, що наведені електричні сигнали не зважаючи на їхній низький рівень можуть поширюватися проводовими лініями за межі контрольованої зони та перехоплюватися засобами технічної розвідки.

У більшості випадків акустоелектричне перетворення має зворотний характер, і тоді мають справу з електроакустичним перетворенням, яке з погляду витоку інформації не є цікавим.

Акустоелектричний (мікрофонний) ефект мають намоточні вироби (трансформатори, дроселі, реле тощо), в яких відповідно до закону електромагнітної індукції, відкритого Фарадеєм, наводиться ЕРС при русі провідників у магнітному полі під дією енергії звукової хвилі. Магнітне поле завжди присутнє у феромагнітних осередках за рахунок залишкової індукції.

Акустоелектричними перетворювачами є конденсатори, в яких обкладинки під дією звуку можуть переміщатися відносно один одного у поперечному напрямі, змінюючи ємність конденсатора.

Причиною акустоелектричних перетворень можуть бути керамічні конденсатори, що містять матеріали з п’єзострикційним ефектом й є подібними п’єзоелектричному мікрофону.

Крім каналів прямого акустоелектричного перетворення існують і модуляційні високочастотні канали акустоелектричних перетворень, суть яких зводиться до модуляції сигналів високочастотних генераторів за амплітудою або частотою мовним сигналом за рахунок дії останнього на конденсатори або котушки індуктивності у задавальних контурах. Модульований високочастотний сигнал генератора за відносно великої потужності може створювати інформативні побічні електромагнітні випромінювання та поширюватися дротовими лініями.

При дослідженні акустоелектричних перетворень вимірюванню підлягають наступні акустичні й електричні параметри.

В акустиці має місце великий діапазон зміни акустичних параметрів звуку. Закон сприймання відчутних звуків є логарифмічним. За цими причинами результати вимірювань прийнято подавати у відносних логарифмічних одиницях. Для вимірювання слухового відчуття було запропоновано одиницю децибел (дБ), що дорівнює 0,1 бела (Б). Параметри, що виміряні у децибелах називають рівнями. Розрізняють відносні, абсолютні, акустичні й електричні рівні.

За рівень L енергетичних параметрів k (інтенсивності звуку, електричної потужності тощо) приймають L =10 lg (k /k ₀), де k – виміряний параметр; k ₀ – деяке значення параметра, що приймається за нульовий рівень.

При оцінці рівня інтенсивності звуку L_I за нульовий рівень приймають інтенсивність звуку I ₀, близьку до порогової інтенсивності для нормального слуху на частоті 1000 Гц й яка дорівнює 10⁻¹² Вт/м². Тоді рівень інтенсивності звуку визначається як

L_I = 10 lg(I⁄I ₀). (4.9)

 

Рівень густини енергії, який прямо пропорційний інтенсивності звуку, визначається за формулою

L _ε = 10 lg(ε⁄ε₀), (4.10)

 

де ε₀ = I ₀ ⁄с = 10^–12⁄333 ≈ 3∙10^–15 Дж⁄м³ – нульовий рівень густини енергії.

Під рівнем лінійного параметра (звукового тиску, напруги, струму тощо) розуміють величину L =10lg(k / k ₀). Рівень звукового тиску дорівнює

 

L_p = 20 lg(p _зв/ p _зв0), (4.11)

 

де р _зв0 = 2⋅10⁻⁵ Па.

Електричні рівні поділяють на рівні потужності:

– рівні напруги

L_U = 10 lg(U / U ₀); (4.12)

 

– рівні струму

L_I = 10 lg(I / I ₀), (4.13)

де P ₀ = 1мВт, а при розсіюванні цієї потужності на опорі 600 Ом отримаємо U ₀ = 0,775 В; I ₀ = 1,29 мA.

При розрахунку абсолютних електричних рівнів застосовують додавання до скороченого позначення децибела початкової літери відповідної величини, а саме дБн вказує на абсолютний рівень напруги, а дБм – на абсолютний рівень потужності.

Також прийнято, що розмірності дБ/B, дБ/мВ, дБ/мкВ, дБ/Вт позначають відносні рівні величин напруги та потужності, які обчислені відносно 1 В, 1 мВ, 1 мкВ, 1 Вт.

Для прямого акустоелектричного перетворення вимірювання величини сигналів мовного діапазона частот досліджуваного технічного засобу рекомендується типова схема (рис. 4.8) [див. 16, с. 276].

 

 

Рисунок 4.8 – Типова схема вимірювання прямого акустоелектричного перетворення

 

Досліджуваний технічний засіб може бути підключено до реальної вихідної лінії, до імітатора або знаходитися у режимі холостого ходу. До вихідної лінії підключається вимірювальний нановольтметр безпосередньо або безконтактно через струмовий трансформатор. Підключення вимірювального нановольтметра необхідно виконувати за всіма можливими варіантами: симетрично, несиметрично, за розбитими парами, за декількома проводами (у разі застосування струмового трансформатора) тощо.

Для посилення слабкого сигналу акустоелектричного перетворення пряме підключення вимірювального приладу проводиться через передпідсилювач типу 233-6 для Unipan 232 b. Струмовий трансформатор може охоплювати один або декілька проводів. Слід пам’ятати, що струмовий трансформатор вимірює струм у лінії або алгебраїчну суму струмів, а нормується напруга. Напруга визначається множенням величини струму на еквівалентний опір лінії або внутрішнього опору джерела сигналу.

Екрановану акустичну колонку, що створює тестовий звуковий сигнал із характеристиками, що задаються генератором, звичайно розміщують на відстані 1 м від досліджуваного технічного засобу. Така відстань обирається з міркувань забезпечення необхідного рівня звукового тиску та допустимого рівня електромагнітних наведень від колонки на технічний засіб. Електромагнітні наведення тест-сигналу за невдало обраного віддалення колонки від технічного засобу, неправильної схеми заземлення вимірювального комплексу та за відсутності екранування симетричних кабелів можуть перевищувати за величиною сигнал акустоелектричного перетворення (АЕП).

Щоб переконатися у тому, що вимірюється саме сигнал АЕП, необхідно знизити рівень тест-сигналу, прикривши лицьову панель колонки звукопоглинальною шторкою (у жодному випадку не можна знижувати рівень тест-сигналу регулюванням генератора, оскільки у цьому випадку знизиться рівень електромагнітних наведень). У результаті таких дій за відсутності електромагнітних наведень від колонки показання вимірювального нановольтметра не повинні змінитися. Інакше необхідно варіювати взаємним розташуванням генераторної та вимірювальної частини комплексу до отримання позитивного результату.

Рівень тестового звукового сигналу безпосередньо у технічному засобі вимірюється шумоміром.

Рекомендується наступний порядок проведення вимірювань. Після включення, прогрівання та калібрування всіх засобів вимірювання оператор плавно змінює частоту звукового генератора у заданому діапазоні частот за звукового тиску 74…94 дБ. Як правило, обвідна сигналу АЕП характеризується піками та провалами. Рекомендується фіксувати найбільші піки. При використанні нановольтметра Unipan 232 b потрібно стежити за підстроюванням фази опорного сигналу на «підозрілих» частотах.

Задавати перебудову частоти кроками понад 10 Гц неприпустимо, щоб уникнути пропуску вузькосмугових сигналів АЕП. Досліджуваний технічний засіб необхідно перевіряти в усіх можливих режимах його роботи та приймати за результат найбільше значення небезпечного сигналу.

Небезпечними є канали витоку інформації, утворені вбудованими у технічний засіб автогенераторами та підсилювачами зі зворотним зв’язком, здатними модулювати коливання під впливом звукових сигналів. Високочастотні сигнали автогенераторів (носійна частота) можуть бути модульовані за різними видами модуляції, найчастіше за амплітудною або частотною.

Паразитна генерація підсилювачів виникає через неконтрольований позитивний зворотний зв’язок за рахунок конструктивних особливостей схеми або за рахунок старіння елементів. Самозбудження може виникнути за негативного зворотного зв’язку через те, що на частотах, де підсилювач разом із ланцюгом зворотного зв’язку зсуває фазу на 180°, негативний зворотний зв’язок перетворюється на позитивний. Підсилювач може знаходитися на межі стійкості та за щонайменшої зміни коефіцієнта передачі перейти у нестійкий режим із паразитною високочастотною генерацією.

Самозбудження підсилювачів звичайно відбувається на високих частотах, що виходять за межі робочої смуги частот (аж до KB й УКВ діапазонів).

Частота самозбудження модулюється акустичним сигналом, що надходить до підсилювача, і випромінюється в ефір як звичний радіопередавач. Дальність поширення такого сигналу визначається потужністю підсилювача й особливостями діапазону радіохвиль.

Незалежно від особливостей схемотехніки підсилювачів із негативним зворотним зв’язком їхня структурна схема може бути приведена до вигляду, показаного на рис. 4.9, а.

На структурній схемі позначені: K (j ω) – комплексний коефіцієнт передачі власне підсилювача; β(j ω) – комплексний коефіцієнт передачі ланки негативного зворотного зв’язку. У простому випадку β може бути неінерційною ланкою та показувати яка частина вихідної напруги надходить на вхід підсилювача як сигнал зворотного зв’язку .

 

Рисунок 4.9 – Замкнена (а) та розімкнена (б) схема підсилювача

.

Згідно з теорією автоматичного управління амплітудно-фазова характеристика (АФХ) замкненої схеми з негативним зворотним зв’язком визначається виразом замкненої системи зі зворотним зв’язком визначається виразом , а АФХ розімкненої структурної схеми згідно з рис. 4.9, б відповідає вираз K _вих(j ω) = K (jω)β(j ω).

АФХ розімкненої структурної схеми підсилювача за наявності більше двох інерційних ланок, що необхідна для визначення стійкості підсилювача у замкненому стані за критерієм Найквіста (крива 1), показана на комплексній площині рис. 4.10.

 

Рисунок 4.10 – Амплітудно-фазові характеристики розімкненої структурної схеми підсилювача

 

Згідно з критерієм Найквіста робота підсилювача у замкненому стані буде стійка, якщо його АФХ у розімкненому стані не охоплює критичну точку з координатами (–1; j ₀), а структурна схема розімкненої системи складається зі стійких ланок. Друга умова у підсилювачах звичайно завжди виконується.

На рис. 4.10 для деякої частоти ω1 на кривій 1, відповідній стійкій роботі підсилювача, показано положення зображаючого вектора K _p(j ω₁) (його модуль й аргумент φ₁, що є фазовим зсувом між вхідною та вихідною напругами).

При збільшенні коефіцієнта передачі розімкненої схеми | K _p(jω)|, що можливо за рахунок збільшення K і β, АФХ розімкненої структурної схеми може охопити критичну точку (пунктирна крива 2 на рис. 4.10) і підсилювач перейде у нестійкий (коливальний) режим роботи. На деякій частоті ω₂ фазовий зсув буде дорівнювати 180°, а вхідна та вихідна напруги опиняться у фазі, тобто негативний зворотний зв’язок стане позитивним. Рівність фазового зсуву 180° за достатнього запасу стійкості за модулем і за фазою не приводить до самозбудження підсилювачів.

Підсилювачі повинні досліджуватися при зміні напруги живлення у допустимих межах і при перевантаженнях по входу та виходу. Для вимірювань сигналу модуляційного акустоелектричного перетворення у високочастотній області застосовуються вимірювальні прилади за схемою на рис. 4.11.

 

Рисунок 4.11 – Схема вимірювань сигналу модуляційного акустоелектричного перетворення

 

Основним елементом вимірювального комплексу є вимірювальний приймач (аналізатор спектра), що має виходи на проміжній частоті (ПЧ) і на низькій частоті (НЧ). На вхід приймача можуть підключатися або антена (якщо проводяться вимірювання ПЕМВ), або пробник (якщо проводяться вимірювання у вихідній лінії). До виходу ПЧ вимірювального приймача можуть підключатися вимірювач модуляції або низькочастотні аналізатори спектра. У першому випадку проводиться безпосереднє вимірювання, а у другому – вимірювання методом бічних частот.

Для виявлення факту модуляції на слух до низькочастотного виходу приймача підключаються головні телефони. Підготовка до проведення вимірювань зводиться до ретельного вивчення досліджуваного технічного засобу з метою виявлення місць і режимів із найбільш ймовірною появою сигналів АЕП. Далі оператор вимірює всі виявлені випромінювані або присутні у вихідних лініях сигнали автогенераторів, що працюють у складі технічних засобів.

Крім цього, необхідно обов’язково проводити додатковий пошук сигналів у діапазоні частот від 10 кГц до 1000 МГц. Усі виявлені сигнали у цьому діапазоні частот повинні також перевірятися на наявність модуляції.

4.3.3 Методи контролю ПЕМВ від генераторів з акустичною системою

Модуляція інформаційним мовним сигналом високочастотних коливань у генераторів технічних засобів може виникати через зміну індуктивності й ємності їхніх задавальних контурів під впливом акустичного поля. Перехоплення модульованих сигналів каналом ПЕМВ з подальшою демодуляцією приводить до витоку мовної інформації.

Для дослідження впливу акустичного поля на технічний засіб застосовують установку за схемою рис. 4.12, що запозичена із статті А.А. Хорева [27].

 

 

Рисунок 4.12 – Вимірювання побічних електромагнітних випромінювань допоміжних технічних засобів і систем (ДТЗС)

 

Для дослідження впливу акустичного поля на технічний засіб необхідно виконати наступні дії:

– встановити вимірювальну антену вимірювального приладу на відстані d = 1 м від досліджуваного додаткового технічного засобу зв’язку на самому небезпечному з погляду перехоплення сигналу напрямі;

– включити досліджуваний додатковий технічний засіб зв’язку у штатний режим роботи;

– перестроюванням вимірювального приймача у досліджуваному діапазоні частот знайти сигнали, що створені генератором технічного засобу зв’язку;

– налаштувати вимірювальний приймач на частоту найпотужнішого знайденого сигналу, яка, як правило, збігається з частотою генератора. Смуга пропускання вимірювального приймача встановлюється максимально близькою до ширини спектра сигналу генератора додаткового технічного засобу зв’язку;

– акустичну систему випромінювача генератора тестових акустичних сигналів розмістити на відстані 1 м від досліджуваного технічного засобу та спрямувати в його бік;

– у місці розміщення додаткового технічного засобу зв’язку на відстані 1 м від випромінювача акустичної системи встановити вимірювальний мікрофон шумоміра з вбудованими октавними фільтрами;

– включити акустичну систему та налаштувати її на частоту f ₁ = 1000 Гц. Встановити необхідний рівень звукового тиску: 80 дБ за наявності засобів звукопідсилення, 72 дБ – за їхньої відсутності.

За виявлення факту наявності бічних складових спектра досліджуваного сигналу робиться висновок щодо наявності акустоелектричних перетворень додаткового технічного засобу зв’язку. Виміряти рівень їхніх ПЕМВ. Якщо бічні складові спектра досліджуваного сигналу відсутні, то робиться висновок щодо відсутності акустоелектричних перетворень у генераторі досліджуваного додаткового технічного засобу зв’язку.

Якщо акустоелектричні перетворення знайдені, то необхідно:

– провести вимірювання рівнів напруженості електричного (E _и) і магнітного (ρ H _и) полів, створюваних генератором, і ширину спектра сигналу (Δ F _c) на частоті генератора;

– на частоті генератора додаткового технічного засобу зв’язку провести вимірювання рівнів напруженості завад E _зj і ρ H _зj. Вимірювання проводяться без зміни режиму роботи приймача;

– провести розрахунок значень рівня інформативного сигналу E _c і ρ H _c за формулами [27]:

, мкВ/м; (4.14)

, мкВ/м, (4.15)

де E _c,ρ H _c – рівні інформативного сигналу, мкВ/м; ξ_а – похибка вхідного перетворювача (похибка коефіцієнта калібрування антени), дБ; – відносна середньоквадратична помилка вимірювання (у разах); ξ_ВП – похибка вимірювального приймача, дБ; ρ = 377 Ом – хвильовий опір необмеженого середовища (для вакууму ρ = 120π =377 Ом);

– через хвильовий опір вимірювання напруженості магнітного поля з мкА/м перераховуються у відповідну напруженість електричного поля, вимірювану у мкВ/м;

– заміряти відстань r у метрах від додаткового технічного засобу зв’язку до найближчого місця можливого розташування засобів технічної розвідки за межами контрольованої зони.

Розрахувати значення коефіцієнта загасання V_r за наступними формулами.

Якщо частота знайденого сигналу генератора нижча за частоту f ≤ 47,75 МГц, то коефіцієнт загасання розраховується за формулою:

(4.16)

де f – частота заміряного сигналу, МГц.

При цьому, якщо частота знайденого сигналу генератора задовольняє умові 47,75 МГц < f ≤ 1800 МГц, то коефіцієнт загасання визначається за формулою

 

(4.17)

 

Якщо частота знайденого сигналу генератора задовольняє умові f > 1800 МГц, то коефіцієнт загасання визначається за формулою:

V_r = r,(4.18)

розрахувати діючу висоту антени h_a можна за формулою:

, (4.19)

де K_a^* – антенний коефіцієнт (логарифмічний), дБ відносно 1/м; f –частота сигналу, МГц; G _a ^* = 10lg G _a, дБ–коефіцієнт посилення антени у відносних одиницях, який визначається через коефіцієнт посилення антени G_a,ефективну площу антени S_a та довжину хвилі сигналу λ як G_a = 4π S _a / λ².

Можемо розрахувати рівень шумів на вході радіоприймального пристрою за формулою:

, (4.20)

де U _ш^* – чутливість радіоприймального пристрою, мкВ;

Δ F _п^* – смуга пропускання тракту приймального пристрою, за якої вимірювалася чутливість, Гц;

q ^* – відношення сигнал/шум, за якого вимірювалася чутливість приймального пристрою, дБ;

E _a^* – чутливість антени, яка заміряна при q ^* = 1, за смуги пропускання приймача Δ F, дБ відносно мкВ/м;

K _a ^* – антенний коефіцієнт (логарифмічний), дБ відносно 1/м;

Δ F _c – ширина спектра сигналу генератора, Гц;

Δ F _а – смуга пропускання, за якої проводилося вимірювання чутливості антени.

Розрахувати відношення сигнал/шум на вході розвідувального приймача можна за формулами:

– для електричного поля

q_E = (E _c h _Д)(2 V_rU _Ш); (4.21)

– для магнітного поля

q_H = (ρ H _С h _Д)(2 V_rU _Ш), (4.22)

де E _c, ρ H _С – рівні інформативного сигналу, мкВ/м; U _Ш – напруга шумів на вході розвідувального приймача, мкВ; h _Д – діюча довжина антени розвідувального приймача, м.

Розрахувати гранично допустиме значення сигнал/шум за формулою:

, (4.23)

де – інтеграл імовірності; Ф^-1(х) –- функція зворотна Ф(х); P _п – граничне допустиме значення ймовірності правильного виявлення сигналу засобами розвідки.

Порівняти розраховані значення сигнал/шум q_E і q_H з гранично допустимим δ. За виконання умови q ≤ δ вважається, що перехоплення ПЕМВ додаткових технічних засобів зв’язку на частотах роботи високочастотного генератора засобами розвідки неможливе.

У випадку, якщо ця нерівність не виконується, то необхідно визначити реальний коефіцієнт загасання сигналу V _r^* при його поширенні від місця проведення вимірювання до місця можливого знаходження засобів технічної розвідки на відстані r. Для цього необхідно:

– поблизу ДТЗС встановити допоміжний випромінювач, що складається з генератора синусоїдального сигналу та випромінюючої електричної антени, яку необхідно помістити замість ДТЗС;

– набудувати генератор на частоту генерації ДТЗС;

– встановити вимірювальну антену приймача на відстані d = 1 м від випромінюючої антени допоміжного випромінювача, приймач налаштувати на частоту генератора, причому, смуги пропускання генератора та приймача повинні бути приблизно рівні;

– заміряти рівень напруженості електричного поля від допоміжного випромінювача;

– встановити вимірювальну антену у місці передбачуваного розміщення засобів розвідки та заміряти відстань r;

– заміряти рівень напруженості електричного поля E _г ^r у цій точці від допоміжного випромінювача;

– при вимкненому генераторі заміряти рівень завад E _п ^r;

– визначити реальне загасання як V_r^* = E _г/ E _г ^r;

– провести розрахунок відношення сигнал/шум на вході вимірювального приймача за формулою q_E^* = (q_E V_r) / V_r.

Далі за розглянутою раніше методикою визначаються умови можливості або неможливості перехоплення ПЕМВ ДТЗС на частотах роботи високочастотного генератора.