Глава 2. Модель направленного микрофона органного типа

2.1 Принцип работы направленного микрофона органного типа

Для того чтобы изучить принцип работы направленного микрофона органного типа, рассмотрим такое понятие как линейная группа приемников — это несколько микрофонов, обычно располагаемых в ряд по прямой горизонтальной линии так, чтобы их оси были параллельны (см. рис. 2). Электрические выходы этих микрофонов соединяют последовательно в специальном смесителе.

Рис. 2. Линейная группа приемников

Определим характеристику направленности группового приемника R_гп(θ), состоящего из n приемников, расположенных по прямой линии с шагом d полагая, что каждый из них имеет характеристику направленности R(θ). Если плоская звуковая волна падает под углом θ к оси, то амплитуда напряжения на выходе каждого из микрофонов составляет [7]:

U(θ) = E(θ)∙p_m = E_oc∙R(θ)∙p_m (5)

где p_m — амплитуда звукового давления в точке микрофона; E_oc — осевая чувствительность микрофона.

Между выходными напряжениями соседних микрофонов будет иметь место сдвиг по фазе на величину [7]:

φ = 2π∙Δr/λ = 2π∙(d/λ)∙sin θ (6)

Которая обусловлена разностью хода звуковой волны (при этом учтено Δr = d∙sin θ ― см. рис. 2).

Для всей линейной группы результирующее суммарное напряжение имеет вид [7]:

U_θΣ = U_θ + U_θe^iφ + U_θe^i2φ + … + U_θe^i(n-1)φ = U_θ∙(e^inφ – 1)/(e^iφ – 1) (7)

Откуда, после математических преобразований, для амплитуды напряжения получаем [7]:

Um_θΣ = U_θ ∙ sin (nφ/2)/sin(φ/2) (8)

Если звуковая волна направлена по оси, то сдвига фаз между напряжениями от отдельных микрофонов не будет, и выходные напряжения суммируются арифметически [7]:

Um_θΣ = n∙U_θ = n∙E_oc∙p_m (9)

Для такого группового приемника искомая характеристика направленности [7]:

R_гп(θ) = Um_θΣ/U_θ = R(θ)∙sin (nx)/(n∙sin(x)) = R(θ)∙R_гp(θ) (10)

Таким образом, характеристику направленности линейной группы приемников звука можно определить как произведение характеристики направленности одиночного приемника R(θ) и характеристики группы R_гp(θ), где х = π∙(d/λ)∙sin θ.

Найдем углы прихода звуковой волны к приемнику, для которых характеристика направленности линейной группы R_гp(θ) = 0, что может быть при условии (m = 1,2, ….) [7]:

n∙π∙(d/λ)∙sin θ = mπ (11)

Для большого числа приемников можно приближенно считать длину группы ― расстояние между крайними микрофонами [7]:

L = n∙d (12)

Поэтому нулевая чувствительность будет при:

θ = arcsin (mλ/L) (13)

И наименьший угол, для которого чувствительность равна нулю:

θ = arcsin (λ/L) (14)

Следовательно, чем меньше отношение длины волны к длине группы, тем уже будет основной лепесток диаграммы направленности. Следует заметить, что повышение направленности получается только в плоскости, проходящей через оси микрофонов. В плоскости, перпендикулярной ей, характеристика направленности остается такой же, как и для одиночного микрофона.

Конструкция органного микрофона, схематически представленная на рис. 3, имеет несколько десятков тонких трубок 1 с длинами от нескольких сантиметров до метра и более. Трубки собирают в пучок: длинные посередине, короткие по наружной поверхности пучка. Концы трубок с одной стороны образуют плоский срез 2, входящий в предкапсюльный объем 4. Микрофонный капсюль 3 типа приемника давления выбирается с учетом требуемого частотного диапазона.

Рис. 3. Конструкция направленного микрофона органного типа

Звуковые волны, приходящие к приемнику по осевому направлению, проходят в трубки и поступают в предкапсюльный объем в одинаковой фазе, и их амплитуды складываются арифметически. Звуковые волны, приходящие под углом к оси (см. рис. 3), оказываются сдвинутыми по фазе, так как трубки имеют разную длину. Если разность длин ближайших по размеру трубок будет d, то минимальная разность хода будет [7]:

Δr = d∙(1 – cos θ) (15)

где θ — угол между осью приемника и направлением прихода звуковой волны. Соответственно сдвиг фаз между этими волнами [7]:

φ = 2πd/λ(1 – cos θ) (16)

Суммируя амплитуды звуковых волн всех трубок с учетом сдвига фаз аналогично рассмотренному выше случаю для линейной группы приемников, (здесь принимаемые сигналы суммируются не электрически, а складываются в предкапсюльном объеме) получаем следующую характеристику направленности (здесь х = πd/λ(1 – cos θ)) [7]:

R(θ) = sin (nx)/(n∙sin(x)) (17)

Необходимо заметить, что разница в длине между ближайшими по размеру трубками определяет наивысшую частоту, при которой получается компенсация действия боковых волн. Если d = λ, то звуковые волны будут находиться в фазе ― следовательно, прием сбоку будет такой же, как и по оси. Поэтому наивысшая частота f_макс, при которой приемник еще будет иметь острую направленность (с = 330 м/с ― скорость звука в воздухе) [7]:

f_макс ≤ с/2d (18)

Работа направленного микрофона органного типа основана не только на пространственной селекции акустического сигнала, (механизм которой рассмотрен выше), но и на использовании резонансных явлений в полых трубках, благодаря которому повышается количество звуковой энергии, подводимой к мембране микрофона. Поэтому в соответствующей литературе акустическую антенну направленного микрофона более точно называют избирательной резонансной системой.

Резонанс в полой трубке наблюдается в том случае, когда собственные колебания воздушного столба в трубке соответствуют установлению в ней такой длины волны λ, что у обоих концов трубки образуются узлы пучности частиц воздуха. Так как в стоячей волне между двумя узлами укладывается половина длины волны, то для длины волны λ резонансная длина трубки L:

L = n∙λ/2 (19)

Принимая n = 1 (целесообразно выбирать трубки наименьшей длины из-за роста затухания акустических колебаний в них с увеличением L) и учитывая общеизвестную связь длины волны λ, частоты f и скорости звука в воздухе c получаем для L:

L = c /2f (20)

Рекомендуется использовать следующие материалы трубок: латунь, алюминий или твердая пластмасса. Длины трубок подбираются таким образом, чтобы их резонансные частоты перекрывали основной информационный диапазон речевого сигнала.

Для получения более качественного восприятия речи необходимо расширить диапазон принимаемых частот. Это осуществляется путем увеличения количества резонансных трубок — например, до 38 штук.

Такой микрофон органного типа состоит из трубок длиной от 900 мм (183 Гц) до 50 мм (3300 Гц).

Поскольку длины трубок уменьшаются с постоянным шагом d = 23 мм, то для такого направленного микрофона согласно формуле 18 f_макс = 7500 Гц, индекс направленности на частоте 1000 Гц равен около 8 дБ ― то есть характеристики направленности микрофона в случае приема речевого сигнала высокие [7].

2.2. Устройство направленного микрофона органного типа

Реализованная в ходе выполнения настоящей курсовой работы модель направленного микрофона органного типа представляет собой набор из 7 алюминиевых трубок диаметром 10 мм, закрепленных на вращающемся, проградуированном на основе транспортира штативе. Избирательная резонансная система сделана съемной. Внешний вид устройства представлен на следующем ниже рис. 4:

Рис. 4. Внешний вид реализованной модели

Длина трубки определяет резонансную частоту звукового сигнала. Соответствующие резонансные частоты трубок в зависимости от их длины приведены в таблице 1:

Таблица 1. Характеристики трубок направленного микрофона

№
L, мм
F, Гц

Данный вариант направленного микрофона ориентирован на съем речевого сигнала, поэтому диапазон резонансных частот 300–3300 Гц, обеспечивающий наибольшую разборчивость речевой информации, можно считать достаточным для модели направленного микрофона. Вариант с 37 трубками требует наличия около 18 м алюминиевой трубы, что вызывает определенные затруднения при реализации.

Трубка № 1 является центральной, вокруг нее находятся остальные, расположенные в порядке убывания номеров. Мембрана микрофона расположена в торце трубок в предкапсюльном объеме, аналогично изображенной на рис. 3.

В соответствующей литературе (см. [6]) в качестве микрофонного капсюля рекомендуется использовать следующие типы устройств, характеристики которых приведены в таблице 2 [8]:

Таблица 2. Характеристики рекомендуемых микрофонных капсюлей

Микрофон	Чувствительность, мВ/Па, не менее	Номинальный диапазон рабочих частот, Гц	Уровень собственного шума, дБ, не более
Сосна «M1»	10 - 20	150 – 7000
МКЭ-3 (в)	4 - 20	50 – 15000
МКЭ-333 (г)	24 - 48	50 – 12500

Поскольку у электретных микрофонов диаметр мембраны не велик (для большинства современных микрофонных капсюлей не превосходит 2,5 мм), то микрофон рекомендуется помещать в фокус параболического улавливателя, как показано на рис. 5:

Рис. 5. Микрофон в параболическом улавливателе

Расположение фокуса параболы вида у = а∙х² относительно ее вершины определяется только коэффициентом а. Для того, чтобы параболический рефлектор направлял все «захватываемые» им акустические волны на мембрану микрофона диаметром d, необходимо выполнение соотношения:

d/2 = 1/(2a) (21)

Из формулы 21 следует, что при d = 2,5 мм а = 0,4 мм^-1. Таким образом, учитывая, что D = 30 мм (3 трубки по 1 см в диаметре), получаем длину h параболического рефлектора, при которой он направляет все акустические волны, идущие параллельно оси симметрии параболы, с сечения диаметром D (см. рис. 5) на мембрану микрофона диаметром d:

h = 0,25 D²/d (22)

Согласно формуле 22 при d = 2,5 мм h = 90 мм, причем с уменьшением диаметра мембраны h возрастает. Создание высокоточного параболического рефлектора с такими параметрами без специального оборудования представляет определенную сложность, поэтому для модели направленного микрофона был выбран электретный микрофон МК16 У–11, с рабочим диапазоном частот 300–3400 Гц, чувствительностью 10–20 мВ/Па, уровнем собственных шумов 4 дБ. Диаметр данного микрофона 48 мм, и размер мембраны достаточен для того, чтобы отказаться от использования параболического рефлектора.

Выходной сигнал микрофона подается на стандартный аудио штекер Jack 2,5 мм, который вставляется в соответствующий разъем звуковой платы компьютера или записывающего устройства.

Необходимым составным компонентом направленного микрофона является высокочувствительный селективный микрофонный усилитель (МУ на рис. 5). Однако современные цифровые технологии обработки речи позволяют достигнуть большего результата, чем просто применение высококачественных усилителей низкой частоты. Специфика применения направленного микрофона органного типа (которая будет рассмотрена в следующем параграфе) позволяет использовать программные комплексы шумоочистки, предназначенные для восстановления разборчивости речи, очистки звуковых сигналов, записанных в сложных акустических условиях ― в качестве примеров можно привести продукты компаний ЦРТ, SIA Software, DAC [10].

Массогабаритные характеристики реализованной модели направленного микрофона органного типа: размеры 70х19х15 см; вес 0,65 кг.

2.3 Эксперимент по исследованию направленности

Поскольку свойства направленности для реализованной модели направленного микрофона обусловлены пространственной селективностью акустической антенны, то для их анализа достаточно рассмотреть диаграммы зависимости регистрируемого мембраной микрофона уровня звукового давления от угла направления на источник звука в двух случаях: с установленной акустической антенной и без нее (см. рис. 6).

В качестве источника звука используется генератор шумового сигнала речевого диапазона частот системы «Соната–АВ», для измерения звукового давления ― виброшумомер SVAN 959. Вывод микрофона МК16 У–11 (штекер Jack 2,5 мм) присоединяется к разъему типа TNC виброшумомера посредством соответствующего переходника. Так как чувствительность и другие характеристики микрофона данного типа отличаются от оригинального микрофона GRAS 40AE, для корректности измерений необходима калибровка, которая осуществлялась с помощью акустического калибратора SV 30A. Калибровочные поправки вводятся в прибор автоматически при измерении акустического сигнала, генерируемого калибратором. В этом случае проходит проверка всего измерительного тракта.

Поскольку измерения проводятся в помещении без специальной отделки звукопоглощающими материалами, то акустическое поле не является свободным, что значительно ухудшает направленность реализованной модели. Для улучшения частотных характеристик прибора SVAN 959 включен специальный встроенный фильтр диффузного поля. Также включен взвешивающий фильтр C, используемый при измерениях, связанных с речевым акустическим сигналом.

Уровень звукового давления, усредненный за 30 минут (при выключенном генераторе шума) в помещении составил УЗД₁ = 55,0 дБ. Поэтому регистрируемые в зависимости от угла направления на источник звука уровни звукового давления УЗД_i корректировались по формуле:

УЗД = 20lg(10^(УЗДi^/20) –10^(УЗД1^/20) (23)

Соответствующие абсолютные погрешности имеют вид (с учетом того, что исходные погрешности измерений SVAN 959 не превосходят 0,7 дБ):

ΔУЗД_i = 0,7(10^(УЗДi^/10) +10^(УЗД1^/10)^1/2/(10^(УЗДi^/20) –10^(УЗД1^/20) (24)

Также необходимо учесть погрешность угла поворота: 2,5^◦ (половина цены деления шкалы). График зависимости УЗД от угла направления на источник звука в случае с установленной антенной показан сплошной линией, без антенны — штриховой:

Рис. 6. Диаграмма зависимости УЗД от угла направления на источник звука

Анализ диаграммы показывает, что без акустической антенны микрофон ведет себя как ненаправленный приемник звука; избирательная резонансная система существенно повышает направленные свойства. Наличие несимметричных боковых лепестков может быть объяснено несимметричностью расположения трубок акустической антенны.

2.4 Способы защиты от прослушивания.

«Промежуточными звеньями» между источником акустического речевого сигнала и микрофоном направленного действия могут быть: открытые окна или форточки, приоткрытые двери, вентиляционные выходы, отверстия электропроводки, щели и трещины в строительных конструкциях, неплотности дверных и оконных проемов.

Далее рассмотрены следующие типовые способы защиты от прослушивания применительно к вышеперечисленным каналам утечки:

· Обнаружение, локализация и изъятие технических средств прослушивания;

· Энергетическое сокрытие (путем звукоизоляции, звукопоглощения и зашумления);

Поскольку использование направленных микрофонов происходит без захода на контролируемую зону, то основным методом их обнаружения является визуальный контроль прилегающей к защищаемому зданию территории. Службу защиты информации предприятия должно настораживать частое появление возле здания людей с очень длинными и толстыми зонтиками; кейсами или чемоданами, а также частая и продолжительная парковка автомобилей возле здания. Однако визуальный контроль не может считаться достаточной мерой по противодействию подслушиванию — например, в случае расположения направленного микрофона органного типа в соседнем здании или применении фазированной акустической решетки, скрываемой под одеждой, вероятность обнаружения этих устройств практически равна нулю [3].

Следует сказать, что для противодействия утечки информации по рассмотренным выше каналам существенную роль играют организационные меры защиты ― регламентация ведения конфиденциальных переговоров, разъяснение персоналу опасности утечки речевой информации и т. д. К инженерно - техническим мерам противодействия можно отнести [12]:

· Применение доводчиков двери, блокировка открытия окон;

· Звукоизоляция отверстий и проемов путем применения специальных гильз, прокладок, вязкоупругих заполнителей и т.д.

· Установка перед вентиляционными отверстиями экранов, или установка в них глушителей;

· Акустическое зашумление помещений.

Критерием защищенности речевой информации является отношение сигнал/шум, при котором качество подслушиваемой речевой информации ниже допустимого уровня. Понимание речи невозможно, если отношение уровня шума к уровню сигнала равно 6–8, и акустический сигнал не воспринимается человеком как речевой, если это отношение равно 8–10. Для гарантированной защищенности речевой информации разность уровня сигнала и уровня шума должна составлять не более –10 дБ, причем эта величина увеличивается на 6 дБ в случае использования технического приемника с частотной коррекцией, компенсирующей снижение чувствительности слуха в области низких частот.

Если для воздуховодов в месте их выхода из помещений (см. параграф 1.3) отношение сигнал/шум превышает допустимые нормы, и вывод воздуховода находится в пределах прямой видимости с соседних зданий, окружающей территории, и т. д., то необходимо уменьшить энергию акустического речевого сигнала путем применения глушителей. Глушитель — специальная конструкция, при распространении акустической волны в которой наблюдается ее интенсивное поглощение.

В случае если рассмотренные выше пассивные средства защиты не приводят к достижению требуемого результата, используются активные средства защиты ― акустическая маскировка информационного сигнала. В настоящее время существует большое количество различных систем активной виброакустической маскировки: системы «Заслон», «Кабинет», «Барон», «Порог–2М», «Фон–В», «Шорох», VNG–012 GL, VNG–006, ANG–2000, NG–101 [12]. Однако нужно помнить, что акустический шум может создавать дополнительный мешающий для сотрудников фактор, вынуждает повышать громкость разговора.

При разработке и реализации мер по защите от прослушивания с помощью направленных микрофонов, необходимо уделять особое внимание таким принципам инженерно–технической защиты информации как рациональность (минимизация ресурса, расходуемого на защиту информации) и комплексность. Так, для того, чтобы не быть прослушанным с помощью направленного микрофона в помещении, достаточно просто закрыть окно (вопреки существующему некомпетентному мнению направленные микрофоны акустического типа снимать информацию со стекла не могут). В то же время используемые для предотвращения утечки по акусто - радиоэлектронному каналу средства акустической маскировки информационного сигнала в ряде случаев обладают эффективностью и в отношении противодействия подслушиванию посредством направленных микрофонов.

Для оценки степени опасности направленных микрофонов и, соответственно, выработки мер защиты, необходимо знание реальных возможностей этих устройств по перехвату речевой информации. Следует заметить, что приведенные выше в параграфе 1. 5 данные о дальности съема акустического речевого сигнала зачастую сильно завышены производителем в рекламных целях. Сотни метров могут быть достигнуты только в исключительных случаях: образование звукового канала, благоприятные для прослушивания условия окружающей среды и др., что подробно рассматривалось в параграфе 1. 3.

В загородных условиях расстояние прослушивания с помощью направленного микрофона составляет 30–100 м. В условиях города практически невозможно проводить съем информации с расстояний, превышающих 10–15 м на шумной улице, 15–25 м — в остальных случаях [5].

Следовательно, эффективность применения микрофонов направленного действия в значительной мере определяется тем, насколько удается сократить расстояние от устройства до источника речевого сигнала. В таком случае массогабаритные характеристики направленного микрофона, его маскируемость, начинают играть существенную роль.

Однако «оперативное» применение направленного микрофона затрудняет использование основного его преимущества — острой диаграммы направленности. Размер «акустического пятна», которым является рот говорящего, составляет не более 20 см² [11]. На расстоянии 100 м, особенно в случае незакрепленного портативного направленного микрофона, случайный порыв ветра, вибрация от проезжающего рядом транспорта, дрожания рук и т. п. будут уводить «прицел» на некоторое расстояние. Когда ось диаграммы направленности микрофона сместится относительно своего первоначального положения всего на 1^° при расстоянии 100 м, центр «акустического пятна» переместится на 1,75 м. Если при этом источник звука тоже перемещается, то вероятность получения информации с такого расстояния стремится к нулю.

Стационарный направленный микрофон органного типа с оптическим наведением лишен описанного выше недостатка, что вкупе с компьютерной адаптивной пространственно–временной фильтрацией акустических помех дает возможность предполагать большую дальность съема информации. Однако своеобразной платой за это является потеря мобильности устройства из - за его больших размеров, значительная сложность маскировки.

Специфика ТКУИ с применением НАМ органного типа состоит в том, что в этом случае каналы утечки чаще имеют постоянный, нежели эпизодический (при использовании других типов направленных микрофонов — более мобильных и легко маскируемых) характер. Так, прослушивание с помощью последних зависит от множества случайных факторов ― от того, состоится ли конфиденциальный разговор за пределами контролируемой зоны, при открытом окне или двери, при переходе из одного здания организации в другое, от взаимного расположения источника шумов, подслушивающего и говорящего, от того, насколько близко удастся приблизиться к источнику речевого сигнала и т. п. Для направленного микрофона органного типа более вероятны схемы применения, когда он находится в близлежащем здании в пределах прямой видимости, и жестко ориентирован на вентиляционный выход, щель в окне или аналогичный воздуховод.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В ходе выполнения данной курсовой работы была проведена оценка актуальности поставленной цели, а также решены сопутствующие ей задачи:

В главе 1 изучены структурные составляющие технического канала утечки речевой информации с применением направленного акустического микрофона, приведены различные виды микрофонов направленного действия и их технические характеристики.

В последней главе рассмотрены устройство и принцип действия реализованной модели направленного микрофона и приведены результаты эксперимента по исследованию направленности, изучены способы защиты от подслушивания при помощи направленных акустических микрофонов, выяснена специфика применения и защиты от прослушивания посредством направленного микрофона органного типа.

Таким образом, цель настоящей курсовой работы, заключающаяся в изучении технического канала утечки информации с применением направленного акустического микрофона и способов противодействия утечке по данному каналу на примере направленного микрофона органного типа, достигнута.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Абалмазов Э. И. Направленные микрофоны: мифы и реальность [Электронный ресурс] URL: http://vrtp.ru/index.php?CODE=article& act=categories&article=165 (Дата обращения 21.11.2010).

2. Беззаходовые методы разведки. [Электронный ресурс] URL: http://www.globalsecur.ru/statya/15.html (Дата обращения 21.11.2010).

3. Бузов Г. А., Калинин С. В., Кондратьев А. В. Защита от утечки информации по техническим каналам: учеб. пособие — М.: Горячая линия-Телеком, 2005. — 416 с.

4. Лысов А.В., Остапенко А.Н. Промышленный шпионаж в России. Методы и средства. [Электронный ресурс] URL: http://www.pps.ru/bib/p2/p2p/ p2p01/part04-1.html (Дата обращения 7.11.2010).

5. Направленные микрофоны. Общие понятия о направленных микрофонах [Электронный ресурс] URL: http://pitbot.ru/7.shtml (Дата обращения 6.11.2010).

6. Рудометов Е. А., Рудометов В.Е. Подслушивающие устройства-схемотехника средств коммерческой разведки. — М.: Сонар, 2002. — 85 с.

7. Сапожков М. А. Электроакустика: учеб. пособие — М.: Связь, 1978. — 272 с.

8. Сидоров И.Н., Димитров А. А. Микрофоны и телефоны: справочник. — М.: Радио и связь, 1993. — 152 с.

9. Соболев А.Н., Кириллов В.М. Физические основы технических средств обеспечения информационной безопасности: учеб. пособие. — М.: Гелиос АРВ, 2004. — 224 с.

10. Татарников О. Как улучшить разборчивость речи? // КомпьютерПресс. 2004. № 8. — С. 25–32.

11. Торокин А.А. Инженерно-техническая защита информации: учеб. пособие. — М.: Гелиос АРВ, 2005. — 336 с.

12. Хореев А.А., Макаров Ю.К. Методы защиты речевой информации и оценки их эффективности. // Конфидент. 2001. № 4. — С. 22–34.

13. «Шпионские штучки» и устройства для защиты объектов и информации: справочное пособие / Под ред. С.А. Золотарева — СПБ.: Лань, 1996. — 100 с.

Дата добавления: 2015-11-16