Глава 1. ТКУИ с применением направленного микрофона

Создание действующей модели направленного микрофона

Научный руководитель:

доцент, к.ф. - м.н. __________________Л.С. Носов

«____»________________2010г.

Исполнитель:

студент 143 гр. ________________П.А. Северин

«____»________________2010г.

Сыктывкар 2010

СОДЕРЖАНИЕ

Введение............................................................................................ 3

Глава 1. ТКУИ с применением направленного микрофона

1.1. Общая характеристика канала...................................................... 4

1.2. Характеристика источника речевого сигнала.................................. 5

1.3. Характеристика среды распространения........................................ 7

1.4. Характеристики акустических приемников................................... 11

1.5. Виды микрофонов направленного действия.................................. 13

Глава 2. Модель направленного микрофона органного типа

2.1. Принцип работы направленного микрофона органного типа.......... 18

2.2. Устройство направленного микрофона органного типа.................. 22

2.3. Эксперимент по исследованию направленности............................. 25

2.4. Способы защиты от прослушивания............................................ 27

Заключение....................................................................................... 32

Список литературы............................................................................ 33

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность задач защиты речевой акустической информации от утечки несомненна и занимает ведущее место в общем ряду существующих в области обеспечения безопасности информации проблем. Первичными переносчиками речевой информации являются акустические колебания воздушной среды, создаваемые голосовым трактом участника переговоров, а одним из наиболее известных средств подслушивания — направленные акустические микрофоны, интерес к которым подогревается зачастую фантастическими данными о дальности съема информации.

Для того чтобы оценить реальные возможности направленных микрофонов и степень их опасности, необходимо ознакомится с их устройством и понять используемые в этих приборах физические принципы.

Объектом настоящего исследования является прямой акустический канал утечки информации, а предметом исследования — технический канал утечки речевой информации в случае использования направленного микрофона органного типа.

Целью данной курсовой работы является изучение технического канала утечки информации с применением направленного акустического микрофона и способов противодействия утечке по данному каналу на примере направленного микрофона органного типа.

В соответствии с поставленной целью необходимо решить следующие задачи: изучить структурные составляющие технического канала утечки речевой информации с применением направленного акустического микрофона, рассмотреть виды микрофонов направленного действия, реализовать модель направленного микрофона органного типа и осуществить эксперимент по исследованию направленности, изучить способы защиты от подслушивания при помощи направленных акустических микрофонов, выяснить специфику направленного микрофона органного типа.

Исходя из поставленной цели и задач, курсовая работа состоит из введения, двух глав, заключения и списка литературы.

ГЛАВА 1. ТКУИ С ПРИМЕНЕНИЕМ НАПРАВЛЕННОГО МИКРОФОНА

1.1 Общая характеристика канала

Физический путь несанкционированного распространения носителя с защищаемой информацией от ее источника к злоумышленнику образует канал утечки информации. Если распространение информации происходит с помощью технических средств, то соответствующий канал называется техническим каналом утечки информации (далее ТКУИ). Минимальная совокупность структурных элементов любого технического канала утечки информации включает в себя источник сигнала, среду его распространения и приемник сигнала. Структура исследуемого в данной курсовой работе ТКУИ с использованием направленного акустического микрофона (далее НАМ) представлена на следующем рисунке:

Рис. 1. Структура ТКУИ с использованием НАМ

Данный ТКУИ может быть классифицирован как акустический (по виду носителя информации), поскольку носителями информации являются акустические волны в звуковом (16 Гц – 20 кГц) диапазоне; простой (по структуре), поскольку утечка информации происходит по одному, а не по нескольким последовательным каналам (актуальными примерами в этом случае являются акусто - оптический и акусто - радиоэлектронный каналы).

К факторам, увеличивающим потенциальную угрозу, создаваемую ТКУИ с применением микрофонов направленного действия можно отнести [9]:

· Информативность: ценность информации, передаваемой в устной форме, обусловлена ее оперативностью, и тем фактом, что в устной форме зачастую передаются сведения, которые не могут быть доверены техническим средствам передачи;

· Отсутствие необходимости в непосредственной близости к источнику речевой информации;

· Трудности в обнаружении аппаратуры съема звукового сигнала, особенно в случае ее установки за пределами контролируемой зоны.

К факторам, ослабляющим потенциальную угрозу, создаваемую ТКУИ с использованием НАМ, относятся:

· Низкая пропускная способность (вследствие узкой полосы пропускания);

· Малая длина (порядка единиц — сотен метров; причиной является высокое затухание акустической волны в воздухе).

Структурные составляющие технического канала утечки речевой информации с применением направленного микрофона раскрыты в последующих разделах этой главы.

1.2 Характеристика источника речевого сигнала

Рассмотрим основные показатели, характеризующие источник сигнала в случае, когда информационным сигналом является речевой сигнал ― сложный амплитудно и частотно модулированный шумовой процесс:

· Ширина и неравномерность спектра речи;

· Уровень речевых сигналов;

· Динамический диапазон.

Импульсы потока воздуха, создаваемые голосовыми связками, могут считаться периодическими — величина, обратная периоду повторения импульсов называется частотой основного тона голоса. Частота основного тона для всех типов голосов (бас, тенор и др.) лежит в интервале 70–450 Гц. Она играет существенную роль при опознавании говорящего (наряду с интонацией — изменением частоты основного тона, тембром ― определяется величиной и количеством гармоник речевого спектра), но слабо влияет на показатели распознавания звуков речи.

Частотный диапазон речи заключен в пределах 70–7000 Гц. Области спектра, в которых сосредоточена основная мощность речевого акустического сигнала, называются формантами; нулевые значения ― антиформантами. Основная энергия большинства формант (форманты отвечают за различение звуков речи) сосредоточена в диапазоне частот 300–3400 Гц, что позволяет ограничивать спектр речевого сигнала без существенной потери его разборчивости этой частотой. Можно заметить, что при распространении речевого сигнала через различные ограждения в первую очередь поглощаются высокочастотные составляющие спектра речи, отвечающие за определение индивидуальности говорящего, но смысл речевого сообщения остается понятным.

Интенсивность излучения — физическая характеристика акустического сигнала ― энергия акустической волны, прошедшая за 1 с перпендикулярно поверхности площадью 1 м². Интенсивность речевого акустического сигнала во время речеобразования непрерывно меняется, поэтому интенсивность речи характеризуется средним уровнем интенсивности речи и средним спектральным уровнем речи ― средним уровнем энергии, приходящейся на полосу шириной 1 Гц. Пикфактором речи называют разность между максимальным значением речевого сигнала и его средним уровнем.

Громкость звука, представляющая собой взвешенную по частоте интенсивность звука и измеряемая как десятичный логарифм отношения интенсивности звука к порогу слышимости, является физиологической характеристикой акустического сигнала, учитывающей зависимость чувствительности слуховой системы человека от частоты акустической волны.

Поскольку основным источником речевой информации является человек, то средняя громкость сигналов акустических каналов утечки информации находится в пределах 40–80 дБ.

Звуки речи неодинаково информативны. Гласные звуки несут меньшую информацию о смысле речи, чем глухие (хотя в отличие от глухих имеют высокий уровень интенсивности). Подтверждением этого является тот факт, что текст, из которого удалены все гласные, вполне читабелен, в отличие от текста, из которого удалены все согласные. Поэтому разборчивость речи сильно снижается при действии низкочастотных шумов, маскирующих глухие звуки. Кроме того, в силу психофизиологических особенностей восприятия звука человеком, маскирующий звук оказывает незначительное влияние на тоны речи ниже его собственной частоты, но сильно затрудняет восприятие более высоких звуков. Рассмотренные выше эффекты являются основой такого метода противодействия подслушиванию как энергетическое сокрытие речевого сигнала путем зашумления.

Динамический диапазон сигнала характеризуется значением десятичного логарифма отношения максимальной мощности сигнала к минимальной. Для речевого сигнала информативность данной характеристики источника не слишком существенна, поскольку смысл речевого сообщения понятен даже при симметричном относительно нуля ограничении аналогового речевого сигнала и преобразовании его в двоичную последовательность (клипированная речь) [11].

В данном параграфе характеристики источника речевой информации приведены с позиции их значения при утечке информации. В качестве информационного критерия используется разборчивость речи ― процентное количество правильно воспринятых слушателями элементов речи из общего количества произнесенных. Элементами речи являются звуки, слоги, слова, фразы, соответственно которым различают звуковую, слоговую, словесную, смысловую разборчивость речи.

Разборчивость речи считается отличной, если слоговая разборчивость превосходит 85%. Неудовлетворительной разборчивости речи (около 40% слоговой разборчивости) соответствует примерно 90% разборчивости фраз. Подслушивание считается невозможным, если словесная разборчивость речи меньше 20% (в случае зашумления «белым шумом») [12].

1.3 Характеристика среды распространения

Акустические волны в газообразной среде в диапазоне частот 16 Гц – 20 кГц

воспринимаются человеком как звук. Как носители информации они характеризуются следующими свойствами:

· Скоростью распространения;

· Энергией (мощностью);

· Величиной затухания (мерой ослабления энергии звуковой волны при ее распространении);

· Условиями распространения.

Скорость звука в воздухе пропорциональна корню квадратному из температуры газа, значению универсальной газовой постоянной, отношению величин теплоемкостей газа при постоянном объеме и давлении. При температуре воздуха 18^◦ С и атмосферном давлении 10⁵ Па скорость звука составляет 340 м/с.

При распространении звуковых колебаний движение частиц среды вызывает давление во фронте волны. Фронтом звуковой волны называется поверхность, соединяющая точки поля с одинаковой фазой колебания. Изменение давления в звуковой волне относительно средней величины называется звуковым давлением Р (Па). В акустике используется относительная единица измерения звукового давления ― децибел:

(1)

где Р₀ = 20 мкПа минимальное изменение звукового давления, воспринимаемое человеком.

Перенос энергии в воздушной среде при распространении звуковой волны характеризуется интенсивностью звука — средним количеством энергии, переносимым через единицу площади за единицу времени.

Интенсивность сферической акустической волны в результате расхождения убывает обратно пропорционально расстоянию от источника. В этом случае затухание обусловлено распределением акустической энергии по пространству. Другой основной причиной затухания волн в свободном пространстве является поглощение энергии волны средой, диссипация (рассеяние акустической волны на каплях дождя, снежинках, пылинках, ветках) или поглощение энергии за счет вязкого трения, зависящее от квадрата частоты колебаний частиц — поэтому колебания с частотами выше 1000 Гц затухают особенно быстро. Степень поглощения растет также и при уменьшении относительной влажности воздуха. Существенное значение для затухания имеют неоднородности атмосферы, вызванные неравномерным распределением в пространстве силы и скорости ветра, температуры, давления, искривляющих акустическую волну. Однако атмосферные неоднородности в ряде случаев создают условия для образования звуковых каналов, по которым акустическая волна может распространяться на значительно большие расстояния, подобно распространению света по оптическим световодам. Это происходит благодаря отражению звука от поверхностей разделов слоев воздуха (воды) с разными значениями температуры и плотности, чем и объясняются значительные колебания (в 10 и более раз) дальности распространения звука в атмосфере.

Дальность подслушивания повышается ранним утром и вечером, в пасмурную погоду, после дождя, над водной поверхностью, зимой при отсутствии снегопада, в горах за счет отражений от них, а также в том случае, если ветер дует со стороны источника звука. Дождь, снег, встречный (по направлению к источнику звука) ветер могут увеличить затухание акустической волны на 8–10 дБ для расстояния 100 м. При звуке, направленном против ветра, лучи акустической волны изгибаются вверх и могут пройти выше находящегося на земле приемника, а при звуке по ветру они изгибаются вниз, увеличивая дальность слышимости с подветренной стороны.

При распространении акустической волны в среде ее траектория изменяется в результате отражений. На границе сред с разной плотностью акустическая волна частично переходит из одной среды в другую, частично отражается от границы между двумя средами. При падении звука из воздуха на воду, бетон, дерево в эти среды проникают сотые доли мощности звука.

В помещении акустическая волна многократно отражается от ограждений, в результате чего в нем возникает сложное акустическое поле в виде совокупности волн, приходящих непосредственно от источника (прямых волн) и отраженных. Такое звуковое поле называется диффузным, оно считается одинаковым во всех точках помещения и в любой точке состоит из волн, которые с равной вероятностью приходят в эту точку по всем направлениям. Характер диффузного поля влияет на качество принимаемого звука. Это влияние оценивают коэффициентом — акустическим отношением, равным отношению суммарного уровня отраженных волн к уровню прямой волны. Акустическое отношение может достигать значения 10–15. Однако при значении акустического отношения более 4 ухудшается четкость звучания — возникает гулкость звука.

За счет переотражений акустической волны в замкнутом пространстве возникает явление послезвучания — реверберация. Величина реверберации оценивается временем реверберации Т, равного времени уменьшения интенсивности звука после выключения его источника на 60 дБ. Для большинства типовых помещений организаций время реверберации мало (порядка долей секунды) и его можно не учитывать при оценке разборчивости.

Особый интерес с точки зрения предотвращения утечки речевой информации представляет процесс распространения акустической волны в волноводах, примерами которых являются воздуховоды вентиляции и короба коммуникаций. Поскольку за счет многократных переотражений акустической волны в звуководе ее энергия не рассеивается, дальность ее распространения может быть значительно больше, чем в свободном пространстве. В случае если поперечные размеры волновода сравнимы с длинной волны, затухание при распространении по нему звука составляет 0,15 дБ/м в металлических волноводах и 0,2–0,3 дБ/м в неметаллических. При изгибах затухание составляет 3–7 дБ на изгиб, при изменениях сечения 1–3 дБ. Ослабление сигнала на выходе из воздуховода составляет 10–16 дБ [11].

Следующими по опасности являются звуководы с размерами значительно меньше длины звуковых волн. Затухание в таких каналах является весьма значительным и составляет 1–20 дБ/м [3].

Качество слышимой речи зависит от уровня и характера помех в среде распространения. Акустические помехи (шумы) вызываются многочисленными источниками — автомобильным транспортом, ветром, техническими средствами в помещениях, разговорами в помещениях и т. п. Уровни шумов изменяются в течение суток, дней недели, зависят от погодных условий. Ночью и в выходные дни шумы меньше.

1.4 Характеристики акустических приемников

Акустический приемник — основная часть комплекса подслушивания, содержащая акустоэлектрический преобразователь, селективный усилитель, электроакустический преобразователь (динамик, телефонная головка). Наряду с последним в комплексе подслушивания могут быть использованы другие оконечные устройства ― средства записи (аудиомагнитофоны) и средства анализа сигналов (программные средства шумоочистки и др.).

Акустоэлектрический преобразователь акустической волны в воздушной среде называется микрофоном. Зачастую микрофоном называют весь акустический приемник, что не совсем корректно, однако является устоявшимся. Еще одна сложность состоит в том, что для некоторых видов микрофонов (например, электретных) можно четко отграничить акустическую антенну и сам микрофон (микрофонный капсюль) а для других видов микрофонов (электродинамических) это можно сделать не всегда. Поэтому можно сказать, что характеристики акустического приемника определяются совокупностью параметров акустической антенны и акустоэлектрического преобразователя, а именно:

· Диапазоном принимаемых частот;

· Чувствительностью;

· Динамическим диапазоном;

· Шириной диаграммы направленности;

· Массогабаритными характеристиками.

Микрофоны характеризуются следующими параметрами [8]:

Чувствительность микрофона — отношение напряжения на выходе микрофона к воздействующему на него звуковому давлению при определенной частоте (1000 Гц), выраженное в мВ/Па.

Диапазон рабочих частот ― диапазон частот, в котором микрофон воспринимает акустические колебания и в котором нормируются его параметры.

Уровень собственного шума микрофона ― выраженное в децибелах отношение эффективного значения напряжения, обусловленного флуктуациями давления в окружающей среде и тепловыми шумами различных сопротивлений в электрической части микрофона, к напряжению, развиваемому микрофоном на нагрузке при давлении 1 Па при воздействии на микрофон полезного сигнала с эффективным давлением 0,1 Па.

Характеристика направленности — зависимость чувствительности микрофона (на определённой частоте) от угла между осью микрофона и направлением на источник звука. Графическое изображение характеристики направленности называется диаграммой направленности. Ширина диаграммы направленности оценивается в градусах на уровне 0,5 (0,7) от максимальной мощности электрического сигнала на выходе микрофона. У остронаправленных микрофонов, к которым относятся исследуемые микрофоны направленного действия, этот показатель составляет несколько десятков градусов, благодаря специальной конструкции акустической антенны, сужающей их диаграмму направленности.

Динамический диапазон акустического приемника определяется диапазоном в децибелах мощности сигнала на его входе, при котором обеспечивается допустимый уровень сигнала на выходе. Чем меньше динамический диапазон, тем большие искажения принимаемого сигнала будут наблюдаться в зависимости от изменения расстояния между источником сигнала и акустическим приемником.

Коэффициент направленного действия G показывает выраженную в децибелах степень увеличения уровня сигнала на выходе микрофона при замене ненаправленного микрофона направленным и постоянной величине акустического давления. Для человеческого уха, обладающего широкой диаграммой направленности (почти 180) G оценивается величиной в 6 дБ.

Индекс направленности показывает выраженную в децибелах разницу уровней мощности сигналов на выходе микрофона от двух источников звука: расположенного на оси, и другого — источника рассеянных звуковых волн, если оба создают в точке расположения микрофона одинаковое акустическое давление. Индекс направленности показывает величину подавления (дискриминации) шума, приходящего с боковых направлений, по отношению к сигналу, приходящему с направления, совпадающего с осью микрофона.

Параметры микрофона в значительной мере зависят от принципа его действия (выше уже были упомянуты некоторые виды микрофонов), но подробное рассмотрение видов микрофонов по принципу действия выходит за рамки настоящей курсовой работы. Достаточно сказать, что в современных направленных акустических приемниках часто используется электретные микрофоны, как имеющие повышенные электроакустические и технические характеристики и не нуждаются во внешнем источнике поляризующего постоянного напряжения. Перспективным направлением развития микрофонов является использование акустонанокапиллярного эффекта — изменение уровня заполнения капиллярного канала под воздействием звука, что позволит существенно улучшить характеристики микрофонов [9].

1.5 Виды микрофонов направленного действия

Рассмотрим следующие виды направленных акустических микрофонов:

· С параболическим рефлектором;

· Фазированная решетка;

· Интерференционный (бегущей волны, щелевой);

· Органного типа;

· Градиентный.

Параболический микрофон представляет собой отражатель звука параболической формы, в фокусе которого расположен ненаправленный микрофон. Отражатель изготавливается как из оптически непрозрачного, так и прозрачного (акриловая пластмасса) материала.

Звуковые волны с осевого направления, отражаясь от параболического зеркала, суммируются в фазе в фокальной точке, таким образом, возникает усиление звукового поля. Чем больше диаметр d рефлектора, тем большее усиление может обеспечить устройство. Если направление прихода звука не осевое, то сложение отраженных от различных частей параболического зеркала звуковых волн, приходящих в фокальную точку, даст меньший результат, поскольку не все слагаемые будут в фазе. Ослабление тем сильнее, чем больше угол прихода звука по отношению к оси. Коэффициент направленного действия может быть оценен по формуле (λ ― длина волны звука) [11]:

G = 4π³d²/λ² (2)

Специалисты рекомендуют применять такие микрофоны в условиях ограниченной видимости, при относительно низких уровнях окружающих шумов — ночью, в парках, сельской местности. Неудобство использования параболических микрофонов во многом обусловлено их плохими маскировочными свойствами — например, параболический приемник PRO - 200 с паспортной дальностью 1 км обладает диаметром зеркала 75 см. В настоящее время на отечественном рынке существуют более компактные устройства ― портативный микрофон Орбита с диаметром параболического зеркала 29 см, оптическим наведением, шириной диаграммы направленности 10^◦, дальностью прослушивания речи 100 м [5].

Плоские фазированные решетки основываются на принципе одновременного приема звукового поля в дискретных точках некоторой плоскости, перпендикулярной к направлению на источник звука. В этих точках размещаются либо микрофоны, выходные сигналы которых суммируются электрически, либо открытые торцы звуководов, например трубки достаточно малого диаметра, которые обеспечивают синфазное сложение звуковых волн от источника в акустическом сумматоре, к выходу которого подсоединен микрофон. Если звук приходит с осевого направления, то все сигналы, распространяющиеся по звуководам, будут в фазе, и сложение в акустическом сумматоре даст максимальный результат. Если направление на источник звука не осевое, а под некоторым углом к оси, то сигналы от разных точек приемной плоскости будут разными по фазе и результат их сложения тем меньше, чем больше угол прихода звука. Как правило, число приемных точек в решетках площадью S составляет несколько десятков. Коэффициент направленного действия может быть оценен по формуле [11]:

G = 4πS/λ² (3)

Плоские фазированные решетки обладают хорошей маскируемостью по сравнению с параболическими направленными микрофонами и встраиваются либо в переднюю стенку кейса с последующим камуфляжем, либо в жилет, который надевается под пиджак или рубашку. Необходимые электронные блоки (усилитель, элементы питания, магнитофон) располагаются соответственно либо в кейсе, либо под одеждой.

В качестве примера современного направленного микрофона такого типа можно привести НМ – А62 с размером решетки 62х23 см, шириной диаграммы направленности не более 14^◦, уровнем приведенных собственных шумов — около 0 дБ [1].

Микрофоны «бегущей» волны, в отличие от параболических микрофонов и плоских акустических фазированных решеток, принимают звук не на плоскости, а вдоль линии, совпадающей с направлением на источник звука.

Основой микрофона является звуковод в виде жесткой полой трубки диаметром 10–30 мм со специальными щелевыми отверстиями, размещенными рядами по всей длине звуковода, с круговой геометрией расположения для каждого из рядов. При приеме звука с осевого направления будет происходить сложение в фазе сигналов, проникающих в звуковод через все щелевые отверстия, поскольку скорости осевого распространения звука вне трубки и внутри нее одинаковы. Если звук приходит под некоторым углом к оси микрофона, то это ведет к фазовому рассогласованию, так как скорость звука в трубке будет больше осевой составляющей скорости звука вне ее, что является причиной снижения чувствительности приема. Как правило, длина трубчатого микрофона L находится в пределах от 0,2 до 1 м. Увеличение длины усиливает подавление помех с боковых и тыльного направлений. Коэффициент направленного действия может быть оценен по формуле (при L> λ) [11]:

G = 4L/λ (4)

Данный тип микрофона ― один из наиболее распространенных благодаря своей простоте, низкой стоимости, возможности организации различных вариантов камуфляжа (под трость, под зонтик и т.д.).

На отечественном рынке в качестве примера можно привести направленный микрофон DSAS с длиной трубки около 20 см и эффективным расстоянием приема до 80 м при отсутствии фоновых шумов [5].

В отличие от фазированных приемных акустических решеток, основанных на операции сложения акустических сигналов, градиентные микрофоны используют операции вычитания по направлению прихода сигнала. Такое конструктивное решение ставит их в невыгодное положение по пороговой чувствительности, поскольку каждое вычитание ослабляет сигнал, но статистически суммирует внутренние помехи. В то же время оно позволяет конструировать направленные системы малых размеров. Простейшим примером является микрофон, реализующий градиент первого порядка.

Он представляет собой два достаточно миниатюрных и близкорасположенных высокочувствительных микрофона, выходные сигналы которых электрически вычитаются друг из друга, реализуя в конечных разностях первую производную звукового поля по оси микрофона и формируя диаграмму вида cos Q, где Q — угол прихода звука. Таким образом, обеспечивается относительное ослабление акустических полей с боковых направлений. Градиентными микрофонами высоких порядков называют системы, реализующие пространственные производные второго, третьего и более старших порядков.

Градиентные микрофоны высоких порядков на рынке открытых предложений практически не представлены. Основным их преимуществом являются малые размеры (менее 1 см³), чувствительность и коэффициент направленного действия невелики [1].

Направленные микрофоны органного типа по принципу действия близки к микрофонам бегущей волны. От микрофонов, основанных на принципе фазированных акустических решеток, они отличаются большими размерами, (до 90 см) но и вместе с тем обладают более выраженными направленными свойствами — имеют высокий индекс направленности (около 8 дБ).

Направленные микрофоны органного типа (большие мобильные или стационарные установки, применяемые в пограничных войсках для прослушивания акустических сигналов с сопредельной территории и др.), позволяют осуществлять прослушивание до 1000 м [2].

На открытом рынке подобные устройства практически не представлены, за исключением нескольких экспериментальных изделий. Однако самодельные варианты микрофонов этого типа рассматриваются как перспективные средства для осуществления прослушивания в соответствующей литературе (см. [4], [6], [13]).

Более подробно устройство и принцип работы направленного микрофона органного типа рассматриваются в следующей главе.

Дата добавления: 2015-11-16