Защита информации

Достоинством метода артикуляции, обусловившим его широкое прак­ тическое использование, является то, что этот метод дает объективную ко­ личественную оценку качества передачи речи по главному ее признаку - разборчивости, причем эта оценка может быть проведена с достаточно высокой степенью точности.

Так предельное значение разборчивости формант, при котором воз­ можно понимание смысла речевого сообщения, равно 15 %, что соответ­ ствует 25 % разборчивости слов (рис.2.5). Задача оценки канала утечки сво­ дится к измерению или вычислению разборчивости речи в анализируемом канале и сравнению полученного значения с требуемым.

Разборчивость как критерий оценки защищенности речевой информации

Для оценки и контроля защищенности речевой информации в соот­ ветствии с методикой расчета словесной разборчивости речи, рекомендо­ ванной Гостехкомиссией использован инструментально-расчетный метод, основанный на результатах экспериментальных исследований, проведенных Н.Б.Покровским (Л. 56).

Числовое значение словесной разборчивости рассчитывается на ос­ нове измерения отношения уровней речевого сигнала и шума в местах воз­ можного расположения злоумышленником TCP акустической разведки.

Показателями защищенности являются:

-словесная разборчивость речи;

-распределение отношений “сигнал/шум” в октавных полосах. Измерения проводятся в контрольных точках для нормированного

энергетического спектра речевого сигнала.

Показатель защищенности от акустической речевой разведки - сло­ весная разборчивость речи W рассчитывается по формуле в диапазоне зна­ чений словесной разборчивости от 0 до 1:

где R - интегральный индекс артикуляции речи.

91

Интегральный индекс артикуляции речи R определяется по формуле:

коэффициент pi определяется по формуле:

(2.4)

Ki-значение весового коэффициента в i-ой октавной полосе;

Здесь и далее индекс i - это i-порядковый номер октавной полосы

(i= 1,2,3,4,5) со среднегеометрическими частотами fcpi =250, 500, 1000, 2000, 4000 Гц.

уровень речевого сигнала в месте измерения в i-ой октавной полосе), дБ: Lшi - октавный уровень акустического шума (помехи), (уровень шума

(помехи) в месте измерения в i-ой октавной полосе), дБ.

92

- значение форматного параметра спектра речевого сигнала в i-

ой октавной полосе, дБ;

Величины формантного параметра спектра речевого сигнала Ai и ве­ сового коэффициента ki в октавных полосах приведены в таблице 2.6.

Таблица 2.6

Значение Аi. и ki.

При этом в зависимости от полученной величины W обеспечивается качество акустической защиты элементов защищаемого помещения (поме­ щения в целом), например:

-количество правильно понятых слов обеспечивает составление под­

робной справки (доклада) о содержании переговоров. Практичес­ кий опыт показывает, что составление подробной справки о содер­ жании перехваченных переговоров невозможно при словесной раз­ борчивости менее 60-70%;

-отдельные слова не воспринимаются, однако перехваченное сооб­

щение позволяет составить краткую справку, отражающую пред­ мет, проблему и общий смысл перехваченного разговора (при сло­ весной разборчивости менее 40-50%);

-перехваченное речевое сообщение содержит отдельные, правильно понятые слова, позволяющие установить предмет разговора; голос говорящего не идентифицируется, тема разговора не опре­ деляется, анализ перехваченного со общения позволяет определить только факт наличия речи (проведения переговоров).

При словесной разборчивости менее 20-30% значительно затруднено установление даже предмета ведущегося разговора, а при словесной раз­ борчивости менее 10% это практически невозможно даже при использова­ нии современной техники фильтрации помех.

Рекомендованная Гостехкомиссией России для оценки и контроля

93

защищенности речевой информации методика расчета словесной разбор­ чивости речи позволяет рассчитать и дать достаточно точную оценку допу­ стимой разборчивости речи в зависимости от октавных уровней защищае­ мого речевого и акустического (вибрационного) шумового сигнала.

Уменьшение величины W до уровня обеспечивающего требования за­ щиты акустической информации пассивными и активными способами за­ щиты более подробно рассмотрено в главах 3 и 4.

Особенности распространения акустических волн

Особенности распространения воздушных акустических волн в закрытых помещениях.

Звуковые волны в закрытых помещениях, многократно отражаясь от границ, образуют сложное поле колебательного движения воздуха, завися­ щее не только от источника звука, но также от геометрических размеров, формы помещения и способности пола, потолка, окон и дверей поглощать или отражать акустическую энергию.

При распространении звука в закрытых помещениях возможны явле­ ния отражения звука, преломления, поглощения звука, рефракции звука, а также дифракции и интерференции.

Отражение звука - явление, возникающее при падении акустической волны на поверхность раздела двух физически разнородных сред и состоя­ щее в образовании отраженной волны, распространяющейся от поверхно­ сти раздела в ту же среду, из которой приходит падающая волна.

Преломление волн - изменение направления распространения волны при ее переходе из одной среды в другую, отличающуюся от первой значе­ нием скорости распространения волны.

Поглощение звука - явление преобразования энергии звуковой волны во внутреннюю энергию среды, в которой распространяется акустическая волна.

Рефракция звука - искривление направления распространения волн в неоднородной среде. Рефракция звука в атмосфере обусловлена про­ странственными изменениями температуры воздуха, скорости и направ­ ления ветра.

Дифракция звука - это отклонение звука от законов геометрической акустики, связанное с неоднородностью среды, в которой распространяет­ ся звуковая волна. Вследствие дифракции звук может огибать встречные препятствия, попадать в область геометрической тени, концентрироваться

94

на отверстиях и т.п. Картина дифракции существенно зависит от соотно­ шения между размером препятствия или отверстия и длиной волны.

Интерференция - это сложение в пространстве нескольких волн, при

свои особенности. Своеобразие распространения акустических волн в зак­ рытых помещениях - сложность картины звукового поля в них. Акустичес­ кие волны многократно отражаются от предметов и ограждений, частично

от источника, встречается с отраженной волной от стен. Если две звуковые волны совпадают по фазе, то они усиливают друг друга, - человек слышит более громкий звук. Если же фазы двух волн противоположны, то теорети­ чески волны могут погасить друг друга.

На самом деле интерференция звука происходит несколько иначе. Вопервых, звук от источника “размазан” почти по всей комнате. Во-вторых,

поскольку интерференционная картина различна для разных частот, неко­ торые звуки вообще могут не погаситься. Для создания помещения с хоро­ шей акустикой стараются сделать отраженный звук рассеянным, в резуль­ тате чего в любую точку помещения со всех сторон приходят отраженные волны с совершенно рассогласованными фазами. Как правило, это дости­ гается либо тем, что стены помещения делают с выступами и нишами, либо покрывают их материалом, поглощающим звук. Преломление и рефрак­ цию звуковых волн при их распространении в закрытых помещениях учи­ тывать необязательно, так как они возникают при непостоянстве скорости звука, обусловленном колебаниями температуры, изменением скорости и направлении ветра, чего обычно не наблюдается в закрытых помещениях.

Акустические волны в помещении могут многократно отражаться от стен и предметов, как бы блуждая по помещению и затухая. Такое явление называется реверберацией, а время замирания звука - временем ревербера­ ции. Время реверберации определяет качество помещения с точки зрения акустики. В акустике введено понятие - стандартное время реверберации, т.е. время, прошедшее с момента выключения источника до момента, когда Уровень плотности звуковой энергии уменьшается на 60 дБ или когда плот­ ность акустической энергии в данной точке помещения уменьшается в 10

раз (рис. 2.6).

95

Рис. 2.6. Спадание уровня силы звука в помещении (а). Оптимальное время реверберации (б).

При очень большом времени реверберации звуки “бродят” по поме­ щению, накладываясь друг на друга и заглушая источник основного звука, помещение становится слишком гулким. Малое время реверберации тоже плохо - акустические волны поглощаются несущими конструкциями и от­ того звуки получаются глухими, теряют свою выразительность. Время ре­ верберации изменяется с изменением частоты звука. Это связано с тем, что поглощение звука любым конкретным материалом зависит от частоты зву­ ка. Таким образом, тщательно подбирая материалы для облицовки поме­ щения, можно добиться нужного времени реверберации (рис.2.6б). Реко­ мендации по требуемому времени реверберации и условиям его выполне­ ния приведены в главе 3.

Распространение акустических волн в помещениях (их отражение, диф­ ракция и т.п.) связано с длиной распространяющейся волны и размерами объектов, встречающихся на пути ее распространения.

Зная частоту и скорость звука, можно вычислить длину акустической

2.9а). Если же размеры источника велики по сравнению с длиной волны, то вследствии интерференции и дифракции он излучает направленную звуко­ вую волну (рйс.2.9б).

Учитывая скорость распространения звука в воздухе (331,5-344 м/с), длина слышимых в воздухе звуковых волн колеблется от 1,5 см до 15 м.

96

Если препятствия на их пути имеют меньшие, чем длина волны, разме­ ры, то волны их огибают. Препятствия же больших размеров (стена дома,- скала) отражают звуковые волны по тому же закону, что и световые - угол падения равен углу отражения.

Своеобразно проходит звук из одной среды в другую. Явление это довольно сложное, но оно подчиняется общему правилу - звук не перехо­ дит из одной среды в другую (или переходит с большим затуханием), если их плотности резко отличаются, например, из воздуха в воду.

Через тонкие упругие стенки звук слышен хорошо - такие стенки ко­ леблются и воспроизводят звуковые волны в соседнем помещении.

Свойство хорошей звукоизоляции таких материалов, как вата, ворси­ стые ковры, пенобетон, пористая сухая штукатурка и т.п. связано с тем, что в них очень много поверхностей раздела между воздухом и твердым телом.

ются звуковые волны, т.е. происходят акустические колебания частиц уп­ ругой среды (твердой, жидкой или газообразной), заполняющей эту область. Звуковое поле определяется изменением в каждой его точке одного из па­ раметров, характеризующих звуковую волну, - колебательная скорость ча­ стиц, звуковое давление и т.п.

Понятие звукового поля применяется для пространства, размеры ко­ торого порядка или больше длины звуковой волны.

Энергетически звуковое поле характеризуется плотностью звуковой энергии. Картина звукового поля зависит не только от акустической мощ­ ности и характеристики направленности излучателя - источника звука, но и от положения и свойств границ среды и поверхностей раздела различных упругих сред, если такие поверхности имеются. В неограниченной одно­

го пространства. Если источник звука расположен в помещении, то звуко­ вые волны будут распространяться от источника звука до тех пор, пока не достигнут границ помещения или расположенных в нем ограждений, где часть звуковой энергии будет отражена, часть поглощена, а часть передана через несущие конструкции.

Количественно поглощенная, отраженная и прошедшая через ограж­ дения часть звуковой энергии определяется коэффициентами а, b и t.

97

Отношение поглощенной звуковой энергии к падающей называется коэффициентом звукопоглощения:

α=(Wпад-Wотр )/Wпад , где

Wпад и Wотр - соответственно, энергия падающих и отраженных волн. Коэффициент а можно записать и так:

α=(Wпогл+Wпрош )/Wпадгде

Wпогл и Wпрош - поглощенная энергия и прошедшая через ограждения энергия.

Отношение энергии прошедшего звука Wпрош к Wпад называется коэф­ фициентом звукопередачи (звукопроницаемости):

так как характеризуют усредненный эффект поглощения, отражения или

ла поверхности, частоты звуковой волны и от угла падения.

В помещениях необходимо различать прямой звук, приходящий в рас­ сматриваемую точку непосредственно от источника, и отраженный от по­ верхностей.

В результате многократных отражений звуковых волн и суммирова­ ния энергий прямых и отраженных волн в помещении формируется диф­ фузное звуковое поле.

Таким образом, звуковое поле, созданное источником звука в помеще­ нии, состоит из двух компонентов - прямого поля и реверберационного.

Для измерения звукового поля применяются микрофоны, гидрофоны

и т.п.

Некоторые особенности распространения звуковых волн в свободном пространстве

При анализе возможных каналов утечки информации за счет акусти­ ческого канала необходимо учитывать особенности распространения зву­ ковых волн, вызываемые различными окружающими условиями (ветром, давлением, температурой).

Существенное изменение в распространение акустических волн может внести рефракция звука - искривление звуковых лучей в атмосфере. Звуко-

98

вые лучи всегда загибаются в сторону слоя с меньшей скоростью звука. Это определяет ход звуковых лучей при нормальном изменении температуры атмосферы - понижением температуры с высотой и соответственно умень­ шением скорости звука в вышерасположенных слоях атмосферы. В этом случае лучи от источника звука, находящегося вблизи земной поверхности, загибаются кверху, и звук, начиная с некоторого расстояния, перестает быть слышен (рис. 2.7а).

В ряде случаев, когда возникает температурная инверсия и температу­ ра воздуха с высотой увеличивается, то лучи подобного источника загиба­ ются вниз и звук распространяется на большие расстояния (рис. 2.76).

На изменение хода звука может повлиять и ветер. При распростране­ нии звука против ветра лучи загибаются кверху, а при распространении по ветру - загибаются к земной поверхности (рис. 2.8), что может привести к созданию (в первом случае) зон молчания, а во втором существенно улуч­ шить слышимость звука и дальность распространения

Рис. 2.7. Ход звуковых лучей при убывании температуры воздуха с высотой (а) и при возрастании температуры воздуха с высотой (б).

99

Рис. 2.8. Влияние ветра на ход звуковых лучей.

Затухание воздушной звуковой волны

Затухание звука - уменьшение интенсивности звуковой волны (а, сле­ довательно, и амплитуды) по мере ее распространения связано с несколь­ кими причинами:

а) так называемым расхождением волны, связанным с тем, что на боль­ ших расстояниях от источника поток излучаемой звуковой энергии по мере распространения распределяется на все увеличивающуюся волновую по­ верхность и соответственно уменьшается интенсивность звука;

б) рассеиванием звука на препятствиях в среде и ее неоднородностях, размеры которых малы или сравнимы с длиной волны;

в) поглощением звука, которое происходит в результате необратимо­ го перехода энергии звуковой волны в другие виды энергии (преимуществен­ но в теплоту).

Для сферической волны (рис.2.9а) энергия излучения расходуется на приведение в колебательное движение частиц среды, расположенных на сферической поверхности. С увеличением расстояния эта поверхность уве­ личивается пропорционально квадрату радиуса и, следовательно, интенсив­ ность сферической волны убывает обратно пропорционально квадрату расстояния. Для сферической волны амплитуда убывает пропорционально

1/г, для цилиндрической волны пропорциональ­ но 1/г1/2.

Для направленного звукового пучка (рис. 2.9б) площадь попереч­ ного сечения пучка, а следовательно, и интен­ сивность звука должны практически не зависеть от расстояния до источ­ ника.

100