Лабораторная работа № 1

Определение коэффициентов звукоизоляции в защищаемом

помещении

1. Цель и задачи лабораторной работы

Целью лабораторной работы является закрепление у студентов знаний о технических каналах утечки речевой конфиденциальной информации и выработка практических навыков работы с контрольно–измерительной аппаратурой, регистрирующей акустические колебания в различных средах их распространения.

Задачей лабораторной работы является проведение инструментально–расчетной оценки защищенности помещения от утечки речевой конфиденциальной информации по акустическому каналу.

2. Теоретическое введение

2.1. Акустические каналы утечки информации

В акустическом канале утечки носителем информации от источника к несанкционированному получателю является акустическая волна в атмосфере, воде и твердой среде.

Структура акустического канала утечки информации представлена на рис. 1.

Рис.1. Структура акустического канала утечки информации

Спектр речевого сигнала (речи говорящего человека) изменяется в процессе произнесения различных звуков и зависит от положения языка и зубов. При этом одни гармонические составляющие усиливаются, другие подавляются. Области спектра звука, в которых сосредоточивается основная мощность акустического сигнала, называются формантами. Форманты звуков речи расположены в области частот от 150–200 до 8600 Гц. Основная энергия подавляющей части формант сосредоточена в диапазоне частот 100–1000 Гц, что позволило ограничить спектр речевого сигнала, передаваемого по стандартному телефонному каналу, этой полосой.

Физиологическая (с учетом чувствительности уха на разных частотах) интенсивность акустических сигналов изменяется в широких пределах 0–130 дБ (от порога слышимости до болевого порога). Для человека как основного источника соотношение между уровнем громкости и его качественной оценкой характеризуется следующими данными: очень тихая речь (шепот) – 5–10 дБ, тихая речь – 30–40 дБ, речь умеренной громкости – 50–60 дБ, громкая речь – 60–70 дБ и более.

Кроме громкости, речь человека характеризуется тоновым диапазоном (диапазоном частот), тембром и вибрато.

Среднестатистический голос человека включает тоны в диапазоне 64–1300 Гц. Крайне низкие тоны басовых голосов имеют частоту около 40 Гц, высокие тоны детских голосов – около 4000 Гц.

Тембр голоса человека определяется количеством и величиной гармоник (обертонов) его спектра.

Вибрато представляет собой периодическое изменение высоты и силы голоса с частотой примерно 5–7 пульсаций в секунду. При отсутствии вибрато голос кажется безжизненным и невыразительным.

Значения характеристик голоса конкретного человека индивидуальные и позволяют его идентифицировать.

Акустические сигналы машин и технических средств возникают в результате колебаний их поверхностей и частиц воздуха, проходящего через различные отверстия и полости машин и средств.

В общем случае диапазон частот акустических сигналов составляет:

• менее 16 Гц (в инфразвуковом диапазоне) – вибрации машин;

• 16 Гц – 20 кГц (звуковой диапазон) – речь, звуки машин;

• более 20 кГц (ультразвуковой диапазон) – звуки отдельных живых существ и механических средств.

Источники сигналов характеризуются диапазоном частот, мощностью излучения в Вт, интенсивностью излучения в Вт/м — мощностью акустической волны, прошедшей через перпендикулярную поверхность 1м^2, громкостью звука в дБ, измеряемой как десятичный логарифм отношения интенсивности звука к порогу слышимости, умноженный на 10. Интенсивность излучения является физической характеристикой акустического сигнала, а громкость — физиологической, учитывающей разную чувствительность слуховой системы человека к акустическим волнам разной частоты.

Физические явления, возникающие при распространении акустических волн, изучаются физической акустикой. В воздушной среде акустический сигнал распространяется в виде продольной упругой волны, которая представляет собой колебание частиц воздуха вдоль направления распространения волны. Продольные колебания воздуха приводят к изменению давления относительно атмосферного в области распространения волны. Звуковое давление, соответствующее порогу слышимости уха, составляет 10^–10 от нормального атмосферного. Болевому порогу соответствует давление порядка 10⁴ от атмосферного давления. Перевод уровней речевого сигнала из размерности L(дБ) в размерность L(Па) производится по формуле

L(Па)=210^–510^0,05L(дБ) (1)

В твердых телах наряду с продольными волнами возникают поперечные (перпендикулярные направлению распространения волны) колебания, которые не создают давления в продольном направлении.

Акустические волны как носители информации характеризуются следующими показателями и свойствами:

• энергией (мощностью);

• скоростью распространения носителя в определенной среде;

• величиной (коэффициентом) затухания или поглощения;

• условиями распространения акустической волны (коэффициентом отражения от границ различных сред, дифракцией).

Теоретически скорость звука определяется формулой Лапласа и зависит от модуля всесторонней упругости (когда сжатие производится без притока и отдачи тепла) и плотности вещества среды распространения.

Для газов модуль всесторонней упругости равен их давлению. При сжатии газа увеличение давления сопровождается пропорциональным увеличением его плотности. Поэтому скорость звука в газе не зависит от его плотности, а пропорциональна корню квадратному из температуры газа, значению универсальной газовой постоянной, отношению величин теплоемкостей газа при постоянном объеме и давлении.

Скорость звука в морской воде зависит от ее температуры, солености и давления на рассматриваемой глубине, а в твердых телах определяется, в основном, плотностью и упругостью веществ.

Значения скорости распространения звука в некоторых типичных средах приведены в таблице 1

Таблица 1

Среда распространения	Скорость, м/с
Воздух при температуре 0С +20С	332 344
Вода морская	1440–1540
Железо	4800–5160
Стекло	3500–5300
Дерево	4000–5000

Разброс значений скорости обусловлен отличиями свойств среды распространения.

Среда распространения носителя информации от источника к приемнику может быть однородной и неоднородной, образованной последовательными участками различных физических сред: воздуха, древесины дверей, стекол окон, бетона или кирпича стен, различными породами земной поверхности и т.д. Но и в однородной среде ее параметры не постоянные, могут существенно различаться в разных точках пространства.

При распространении звуковых колебаний движение частиц среды вызывает давление во фронте волны. Фронтом звуковой волны называется поверхность, соединяющая точки поля с одинаковой фазой колебания. По мере распространения в любой среде звуковые волны затухают. Затухание акустической волны в воздухе вызвано:

• расхождением акустической волны в пространстве;

• рассеянием акустической волны на неоднородностях воздушной среды (каплях дождя, снежинках, пыли, ветках деревьев и др.);

• турбулентностью воздушных потоков, вызванной неравномерным распределением в пространстве температуры, давления, силы и скорости ветра, которые искривляют акустическую волну и вызывают частичное ее отражение от границы раздела слоев воздуха с различными плотностями.

Затухание звука в среде распространения пропорционально квадрату частоты колебаний. Интенсивность сферической акустической волны в результате расхождения убывает обратно пропорционально расстоянию от источника. При распространении акустической волны ее траектория изменяется в результате отражений и дифракций. На границе сред с разной плотностью акустическая волна частично переходит из одной среды в другую, частично отражается.

В соответствии с приближенной формулой Рэлея (когда акустическое сопротивление материала преграды существенно выше акустического сопротивления воздуха) коэффициент проникновения акустической волны в материал преграды X равен

X=4VвPв/(VпPп), (2)

где Vв и Vп – скорость распространения акустической волны в воздухе и материале преграды; Pв и Pп – удельная плотность воздуха и материала преграды.

Произведения VвPв и VпPп называются акустическим сопротивлением воздуха и материала преграды.

Чем больше отличаются акустические сопротивления сред, тем больше коэффициент отражения акустической волны от границы их раздела. При падении звука из воздуха на воду, бетон, дерево в эти среды проникает не более сотых долей мощности звука. В помещении акустическая волна многократно отражается от ограждений, в результате чего в нем возникает сложное акустическое поле в виде совокупности волн, приходящих от источника и отраженных. Акустические сигналы при прохождении через вентиляционные воздухопроводы ослабевают из-за поглощения в стенах короба и изгибах. Однако, за счет многократных переотражений акустической волны от стенок воздуховода, ее энергия не рассеивается в пространстве. Вследствие этого дальность распространения волны в воздуховоде может быть существенно больше, чем в свободном пространстве. Затухание в прямых металлических воздуховодах составляет 0,15 дБ/м, в неметаллических - 0,2-0,3 дБ/м. При изгибах затухание достигает 3-7 дБ (на один изгиб), при изменениях сечения - 1-3 дБ. Ослабление сигнала на выходе из воздуховода помещения может составить 10-16 дБ.

2.2. Энергетическое скрытие акустических сигналов является одним из основных методов противодействия подслушиванию и включает:

• звукоизоляцию акустических сигналов;

• звукопоглощение акустической волны;

• зашумление помещения или твердой среды распространения другими звуками (шумами, помехами), обеспечивающими маскировку акустических сигналов.

Таким образом, энергетическое скрытие акустических сигналов обеспечивается путем применения способов и средств, уменьшающих энергию носителя на входе акустического приемника злоумышленника или увеличивающих энергию помех.

Простейшим способом является уменьшение громкости речи во время разговора на конфиденциальные темы. Однако это возможно, если количество собеседников мало, а уровень шумов невелик. Громкость акустического сигнала уменьшают путем звукоизоляции, звукопоглощения и глушения звука.

Звукоизоляция обеспечивает локализацию акустических сигналов в замкнутом пространстве внутри контролируемых зон. Основное требование к ней - за пределами этой зоны соотношение сигнал/помеха не должно превышать максимально-допустимые значения, исключающие добывание информации злоумышленниками. Звукоизоляция достигается за счет отражения и поглощения акустической волны.

Глушение звука достигается путем интенсивного поглощения энергии акустической волны при распространении ее в специальной конструкции, называемой глушителем.

Для повышения уровня акустических помех применяют активные средства - генераторы акустических помех.

2.3. Метод оценки защищенности помещений от утечки речевой конфиденциальной информации по акустическому каналу заключается в определении коэффициентов звукоизоляции Z_i ограждающих конструкций (ОК) в октавных полосах частот со среднегеометрическими частотами 250, 500, 1000, 2000, 4000 Гц и последующим сопоставлением полученных коэффициентов с их нормативными значениями.

В практике акустических исследований весь диапазон звуковых частот разбивают на октавные диапазоны. В октавном диапазоне верхняя граничная частота вдвое больше нижней. Если f₁ - нижняя граничная частота, а f₂ - верхняя, то в качестве частоты, характеризующей полосу в целом, берется среднегеометрическая частота

.

Коэффициент звукоизоляции Z_i в каждой i-ой октавной полосе определяется как разность между измеренными уровнями тестового акустического сигнала L_ci1 перед ОК и за ее пределами L_ci2 в выбранных контрольных точках (КТ).

2.4. В качестве тест-сигнала могут быть использованы гармонические (тональные) частоты, соответствующие среднегеометрическим частотам октавных полос, либо шумовой сигнал с нормальным распределением плотности вероятности мгновенных значений в пределах соответствующей октавной полосы.

Октавные уровни излучаемого тест-сигнала в помещении, уровни акустического сигнала в КТ определяются с использованием измерителя шума (шумомера).

2.5. КТ определяются преподавателем дифференцированно для каждой бригады студентов, проводящих измерения.

Нормативные значения октавных коэффициентов звукоизоляции, обеспечивающие защищенность помещений от утечки речевой конфиденциальной информации по акустическому каналу, приведены в таблице 2.

Таблица 2.

Место возможного перехвата речевой конфиденциальной информации из помещения		Нормативное значение октавного коэффициента звукоизоляции, дБ
		Для помещений, не оборудованных системами звукоусиления	Для помещений, оборудованных системами звукоусиления
Смежные помещения		46	60
Уличное пространство	Улица без транспорта	36	50
	Улица с транспортом	26	40