Торокин А.А. Инженерно-техническая защита информации, 2005

из которых массивный, другой — тонкая мембрана. Электроды об­ разуют конденсатор, емкость которого зависит от площади плас­ тин и расстояния между ними. К электродам подводится через ре­ зистор поляризующее постоянное напряжение. При воздействии на мембрану звуковых волн изменяются расстояния между электро­ дами и, соответственно, емкость конденсатора. В результате этого через резистор протекает ток, амплитуда которого пропорциональ­ на звуковому давлению на мембрану. При расстоянии между об­ кладками 20-40 мкм и поляризующем напряжении в несколько де­ сятков вольт чувствительность микрофона достигает 10-20 мВ/Па.

Разновидностью конденсаторного микрофона является электретный микрофон, мембрана которого выполнена из полимерных материалов (смол), способных в сильном электрическом поле и при высокой температуре заряжаться и сохранять электрический заряд продолжительное время. Такие материалы называют электретами. Мембрана из электрета металлизируется, между пластинами пос­ ле заряда возникает разность потенциалов 45-130 В. Электретные микрофоны не нуждаются во внешнем источнике и широко приме­ няются в звукозаписывающей аппаратуре, в том числе для неглас­ ного подслушивания.

Действие пьезоэлектрического микрофона основано на воз­ никновении ЭДС на поверхности пластинок из пьезоматериала, ме­ ханически связанных с мембраной. Колебания мембраны под дав­ лением акустической волны передаются пьезоэлектрической плас­ тине, на поверхности которой возникают заряды, величина кото­ рых соответствует уровню громкости акустического сигнала.

По направленности микрофоны разделяются на ненаправ­ ленные, односторонней, двухсторонней и острой направленнос­ ти. Направленность микрофона определяется по уровню сигна­ ла на его выходе в зависимости от поворота микрофона по отно­ шению к источнику акустической волны в горизонтальной и вер­ тикальной плоскостях. Ширина диаграммы направленности мик­ рофона оценивается в градусах на уровне 0,5 (0,7) от максималь­ ной мощности (амплитуды) электрического сигнала на его выхо­ де. Чем меньше ширина диаграммы направленности микрофона, гем меньше помех попадает на его мембрану из направлений, от­ личающихся от направления на источник акустического сигнала

431

с информацией. Ширина диаграммы направленности микрофонов острой направленности составляет несколько десятков градусов. Пространственное ограничение помех повышает отношение сиг-

• нал/помеха на мембране микрофона.

Частотные искажения при преобразовании акустической вол­ ны в электрический сигнал определяются неравномерностью час­ тотной характеристики микрофона. Она описывается отклонением в процентах или дБ уровня спектральных составляющих звукового сигнала на выходе преобразователя по отношению к уровню спект­ ральных составляющих входного сигнала.

По диапазону частот микрофоны разделяются на узкополос­ ные и широкополосные. Узкополосные микрофоны предназна­ чены для передачи речи. Широкополосные микрофоны имеют бо­ лее широкую полосу частот и преобразуют колебания в звуковом и частично ультразвуковом диапазонах частот.

По способу применения микрофоны разделяются на воз­ душные, гидроакустические (гидрофоны) и контактные. Кон­ тактные микрофоны предназначены для приема структурного зву­ ка. Например, контактный стетоскопный микрофон UM 012, при­ крепленный к стене помещения, позволяет прослушивать разго­ воры в соседнем помещении при толщине стен до 50 и более см. Модификацией контактных микрофонов являются ларингофоны и остеофоны, воспринимающие и преобразующие в электричес­ кие сигналы механические колебания (вибрации) связок и хрящей гортани или кости черепа говорящего. Они встраиваются в шлемы летчиков и танкистов для обеспечения связи в условиях повышен­ ного акустического шума среды.

По конструктивному исполнению микрофоны бывают широ­ кого применения, специальные миниатюрные и специальные субминиатюрные, применяемые в различных закладных устройствах.

Возможности микрофонов определяются следующими харак­ теристиками:

•чувствительностью на частоте акустической волны 1000 Гц;

•диаграммой направленности;

•диапазоном воспроизводимых частот колебаний акустической волны;

•неравномерностью частотной характеристики;

•масса-габаритными характеристиками.

432

Чувствительность — один из основных показателей микрофо­ на и оценивается коэффициентом преобразования давления акус­ тической волны в уровень электрического сигнала. Так как чувс­ твительность микрофона для разных частот акустических колеба­ ний различная, то она определяется на частоте 1000 Гц. Измерения проводятся для акустической волны, направление распростране­ ния которой перпендикулярно поверхности мембраны, в вольтах или милливольтах на паскаль (В/Па, мВ/Па). Чувствительность микрофона зависит в основном от параметров физических процес­ сов в акустоэлектрических преобразователях и площади мембра­ ны микрофона.

Чувствительность микрофона повышается с увеличением пло­ щади мембраны приблизительно в квадратичной зависимости. Например, чувствительность конденсаторного микрофона с диа­

50 мВ/Па.

Электрические сигналы на выходе микрофонов, используемых для добывания информации, в селективном усилителе обрабаты­ ваются и усиливаются до величины, необходимой для их записи с помощью аудиомагнитофона или преобразования в акустический сигнал для обеспечения восприятия информации человеком.

Обобщенные характеристики акустических микрофонов при­ ведены в табл. 15.1 [3].

Примечание. Чувствительность микрофона приведена в вольтах при пло­ щади мембраны 1 м2 и осевом давлении в 1 Ньютон (Н). В системе СИ эта характеристика измеряется в мВ/Па.

Как следует из этой таблицы, наиболее высокой чувствитель­ ностью обладают угольные микрофоны, что обеспечивает им столь длительное использование для передачи речевой информации по телефонным каналам связи. Однако остальные их характеристики (частотный диапазон и его неравномерность) невысокие. По сово­ купности показателей высокие характеристики имеют электроди­ намические и конденсаторные микрофоны. Электродинамические микрофоны широко используются для звукоусиления речи и му­ зыки. Конденсаторные микрофоны в силу минимальной неравно­ мерности их амплитудно-частотной характеристики применяют в метрологии для измерения акустических сигналов, а малые разме­ ры электретных микрофонов способствуют их широкому примене­ нию в электронной носимой технике.

Увеличение дальности подслушивания акустической инфор­ мации без повышения мощности ее источника, например громкос­ ти речи человека, достигается за счет повышения отношения сиг­ нал/шум на входе акустического приемника. При этом под шумами имеются в виду не только акустические шумы других источников акустических сигналов, но и собственные тепловые шумы вход­ ных каскадов акустического приемника. Слуховая система молодо­ го человека как акустический приемник может принимать акусти­ ческую информацию очень малой мощности, но вследствие очень широкой диаграммы направленности ушей (почти 180°) на бара­ банную перепонку приходят шумы со всех направлений. С воз­ растом чувствительность слуховой системы человека ухудшается.

434

Млекопитающие, для которых звуки несут важную для жизни ин­ формацию, имеют уши с более узкой диаграммой направленнос- 11.ю и способностью изменять ее ориентацию в пространстве.

Микрофоны для дистанционного подслушивания имеют акус­ тическую антенну, сужающую его диаграмму направленности. ')ги микрофоны называются остронаправленными микрофона­ ми. Характер увеличения относительной дальности RM/R„ острона­ правленного микрофона от его коэффициента направленного дейс­ твия GMиллюстрируется зависимостью на рис. 15.4 [11].

Лис. 15.4. Зависимость относительной дальности микрофона от коэффициента его направленного действия

Величины RMи Rgна рисунке обозначают дальность подслуши­ вания микрофоном и ушами человека соответственно. В качестве Микрофона рассматривается гипотетический микрофон с чувстви­ тельностью, равной пороговой чувствительности слуховой систе­ мы человека.

•параболические;

•трубчатые;

•плоские;

•градиентные.

Параболический остронаправленный микрофон содержит

Отражатель звука параболической формы из оптически прозрач­

ного или непрозрачного материала диаметром 20-50 см, в фоку­ се которогоразмещается мембрана микрофона. Звуковые волны с осевого направления отражателя суммируются в фокусе парабо­ лического отражателя — на мембране микрофона. Акустические сигналы, распространявшиеся с иных направлений, фокусируют­ ся вне мембраны, тем дальше от нее, чем больше угол их прихо­ да по отношению к оси отражателя. Коэффициент направленно­ го действия параболического микрофона можно оценить по фор­ муле: Gn = 4лМ2 / %2, где d — диаметр отражателя, "к— длина вол­ ны звука. Например, для d = 30 см и звука на f = 1000 Гц (к = 34 см) Gn ~ 24 дБ. Для сравнения, среднее значение G0 ушей человека оце­ нивается величиной всего в 6 дБ.

Трубчатый (интерференционный, «бегущей волны») остро­ направленный микрофон состоит из одной трубки длиной 0,2— 1 м и толщиной 10-30 мм или набора трубок, длины которых про­ порциональны длинам волн спектральных составляющих акусти­ ческого сигнала. В торце трубок укрепляется мембрана микрофо­ на. Принцип действия однотрубчатого микрофона иллюстрирует­ ся на рис. 15.5.

Микрофон

Рис. 15.5. Принцип действия трубчатого микрофона

Трубка-звуковод имеет щелевые отверстия, размещенные ря­ дами по длине трубки. Когда ось трубки направлена на источник звука, то акустические волны от него, проникающие в трубку через

ее открытый торец и щели, складываются на мембране микрофона

вфазе, так как проходят приблизительно одинаковый путь. Фазы акустических волн с иных направлений имеют на мембране микро­ фона различные фазы, вплоть до противоположной. В результате этого диаграмма направленности трубчатого микрофона сужается. Коэффициент направленного действия такого микрофона длиной

436

L при условии, что L > X, оценивается формулой G ~ 4L / X. Для L = 1 м и f = 1000 Гц GT~ 12 дБ.

Плоский микрофон представляет собой фазированную акус­ тическую решетку, в узлах которой размещаются микрофоны и сиг­ налы которых суммируются на входе усилителя. Конструктивно он представляет плоскую поверхность с вмонтированными в нее микрофонными капсулями, образующими обычно матрицу 3 х 3. Когда поверхность решетки перпендикулярна направлению на ис­ точник звука, то фазы электрических сигналов совпадают и сум­ марный сигнал максимален. При отклонении угла прихода акус­ тических волн от нормального к поверхности мембран микро­ фонов между сигналами от разных микрофонов возникает раз­ ность фаз из-за различий длин путей от источника к разным мик­ рофонам. Уровень суммарного сигнала снижается, что приводит к уменьшению ширины диаграммы направленности микрофона. Коэффициент направленного действия такого микрофона опреде­ ляется по формуле: Gnj] = 4nS / X2, где S — площадь поверхности, чанимаемой микрофонами. Поверхность плоского направленного микрофона встраивается в стенку атташе-кейса или в жилет, носи­ мый под рубашкой и пиджаком. Например, направленный микро­ фон с акустической решеткой, размещенный на внутренней повер­ хности верхней крышки кейса, имеет ширину диаграммы направ­ ленности около 35°. Принятая речевая информация может быть за­ писана на диктофон в кейсе или ретранслироваться с помощью пе­ редатчика на достаточно большое расстояние.

В градиентных микрофонах в отличие от плоского микрофо­ на, в котором производится сложение акустических сигналов с эле­ ментов приемной фазированной решетки, сигналы соседних эле­ ментов вычитаются. В результате этого диаграмма направленнос­ ти имеет вид cos Q, где Q — угол прихода акустической волны от­ носительно оси микрофона. Коэффициент направленного действия и чувствительность такого микрофона невелики, но в простейшем варианте (2 микрофона) имеют малые размеры.

Рекламируемые возможности по дальности подслушивания направленных микрофонов (до 500 и более метров) завышают­ ся. Из кривой на рис. 15.4 следует, что реальная дальность подслу­ шивания речевой информации на улице города при коэффициенте

437

направленного действия микрофона 15-20 дБ составляет 10-20 м при дальности непосредственного подслушивания всего 2-4 м. Реальная дальность подслушивания зависит не только от громкос­ ти источника звука, его коэффициента направленного действия, но и уровня акустических помех. С учетом имеющихся противоречи­ вых данных предполагается, что максимальная дальность подслу­ шивания разговора с помощью остронаправленных микрофонов может достигать 50-100 м.

Для снятия информации с акустической волны, распространя­ ющейся в твердой среде, применяется акселерометр. Он преобра­ зует структурный звук в электрический сигнал, величина которого пропорциональна амплитуде смещения частиц твердого вещества, скорости или ускорения его частиц при распространении струк­ турного звука. В широко распространенных пьезоэлектрических акселерометрах одна или две пластины из пьезоэлемента размеща­ ются между основанием, прикрепляемым к вибрирующей поверх­ ности, и массивной накладкой (рис. 15.6).

М ассивная накладка

Пьезопластины

Основание

Рис. 15.6. Конструкция акселерометра

Колебания твердой среды через основание акселероментра пе­ редаются на контактирующую с ним нижнюю поверхность пьезо­ элемента. Другая (верхняя) поверхность пьезоэлемента прилегает к массивной прокладке, которая из-за ее инерционности практи­ чески остается неподвижной. В силу этого пьезоэлемент подверга­ ется давлению, пропорциональному разности ускорений сил, дейс­ твующих на обе его поверхности. В результате этого на обкладках пьезоэлемента возникают электрические сигналы, соответствую­ щие структурному звуку.

438

Для преобразования структурного звука в воздушную акус­ тическую волну, передаваемую по звукопроводам в уши челове­ ка, применяется технический стетоскоп. Он отличается от меди­ цинского, применяемого для прослушивания акустических сиг­ налов в теле человека, конструкцией мембраны, поверхность ко­ торой согласуется с поверхностью вибрирующей твердой среды. Стетоскоп представляет собой один или два гибких звукопровода в виде резиновых или из других синтетических материалов тру­ бок, соединенных с контактной площадкой и передающих звуко­ вое колебание от поверхности твердого тела к ушам человека. Эти звукопроводы локализуют и направляют звуковую волну к ушам человека, а также изолируют ее от акустических помех в окру­ жающем пространстве. Для прослушивания структурных звуков микрофон стетоскопа прижимают или приклеивают к поверхнос­ ти стены или трубы.

Принципы работы гидрофона и геофона близки принципам работы микрофона и акселерометра соответственно, но с иными конструктивными решениями. Например, мембрана гидрофона может иметь цилиндрическую или сферическую форму. Геофоны применяются не только для обнаружения акустических сигналов от движущихся людей или техники, но и для снятия речевой ин­ формации с сейсмической волны в грунте на удалении до 10 м от ес источника.

Наряду с традиционными техническими средствами подслу­ шивания с небольшой дальностью все шире применяются устройс­ т в , образующие составные каналы утечки: акусто-радиоэлектрон- M1.IC и акусто-оптические. Такими устройствами являются заклад­ ные и лазерные средства подслушивания.

15.2. Диктофоны

Для скрытого подслушивания речевой информации и ее регис- I |>;щии широко применяются диктофоны с встроенными и выне- | спными микрофонами. Скрытая запись информации производит- ( и с целью:

•«документирования» беседы или телефонного разговора для экономии времени при составлении отчета или для последую­ щего анализа разговора;

439

•регистрации трудно запоминаемой во время разговора инфор­ мации;

•использования записи для оказания влияния на собеседника или предоставления ее в качестве доказательства каких-либо его обещаний и высказываний, сбора материалов о конкурен­ тах, злоумышленниках и др.;

•получения голосового образца собеседника для последующей идентификации при подслушивании;

•регистрации собственных предложений для их последующего анализа;

•записи разговора в помещении во время отсутствия владельца диктофона.

Диктофоны по принципам работы делятся на кинематичес­ кие (с лентопротяжным механизмом для обеспечения записи на магнитную ленту или металлическую проволоку) и цифровые.

Кинематические диктофоны для скрытного подслушивания отличаются от бытовых или профессиональных (используемых журналистами) демаскирующими признаками с пониженной ин­ формативностью и возможностью скрытного управления режима­ ми работы. Это достигается:

•уменьшением в результате прецизионного изготовления меха­ нических узлов акустических шумов лентопротяжного меха­ низма;

•минимизацией побочных электромагнитных излучений за счет исключения из электрической схемы генераторов подмагничи­ вания и стирания;

•экранированием электромагнитного излучения коллекторного двигателя;

•возможностью подключения выносного микрофона;

•возможностью размещения диктофона и его компонентов в одежде человека и скрытного управления режимами работы диктофона;

•высокой автоматизацией работы диктофона — установкой акустоавтомата, счетчика ленты, автореверса, индикатора работы и другими элементами.

Запись речи в диктофонах производится на микрокассете со

скоростью 2,4 или 1,2 см/с, длительность записи в зависимости от скорости и типа кассеты составляет от 15 мин до 3 часов.

440