Технические каналы утечки акустической информации

    Звуковые колебания, регистрируемые слуховым анализатором человека, лежат в диапазоне слышимости от 16 до 20 000 Гц при наиболее эффективном восприятии звукового давления барабанной перепонкой, соответствующем частоте 1 000 Гц. 

    Прежде чем приступать к изучению акустических каналов утечки информации, необходимо определить основные понятия в области акустики. Вообще говоря, любое локальное нарушение равновесия среды создает распространяющееся в ней возмущение, т. е. бегущую волну.

    Звук - механические колебания частиц упругой среды, субъективно воспринимаемые органом слуха. Так как звук, по сути, является волной, его основными характеристиками являются амплитуда и спектр частот. Человек слышит звуки в диапазоне 16-20000 Гц. Звук ниже диапазона слышимости называют инфразвуком, от 20000 Гц до 1ГГц – ультразвуком, от 1 ГГц – гиперзвуком.

    Информация, носителем которой являются акустические сигналы, называется акустической. Если источником информации является человеческая речь, ее называют речевой. Первичными источниками акустических колебаний являются механические системы, например, органы речи человека, а вторичными – преобразователи различного типа, в том числе электроакустические.

    Конкретизируя понятие «шум», следует отметить, что это – смесь многочисленных колебаний с близкими по величине амплитудами и с самыми разнообразными частотами.

    Звуковое давление - это переменное давление в среде, обусловленное распространением в ней звуковых волн. Величина звукового давления Р оценивается силой действия звуковой волны на единицу площади и выражается в барах(Н/м2).

    Звуковое давление называется переменным из-за того, что передается от одной частицы к другой. Так, если в каком-то месте упругой среды произвести резкое смещение частиц, возникнет повышенное давление. Оно передастся соседним частицам, которые воздействуют на следующие и т.д. В результате область повышенного давления будет как бы перемещаться в упругой среде. При этом будет наблюдаться чередование областей повышенного и пониженного давления, которое приведет к появлению ряда областей сжатия и растяжения, распространяющихся по упругой среде в виде волны. Каждая частица среды будет совершать колебательное движение.

    В жидких и газообразных средах, где отсутствуют значительные колебания плотности, акустические волны имеют продольный характер, то есть направление колебания частиц совпадает с направлением перемещения волны. В твёрдых телах, помимо продольных деформаций, возникают также упругие деформации сдвига, обусловливающие возбуждение поперечных (сдвиговых) волн; в этом случае частицы совершают колебания перпендикулярно направлению распространения волны. Скорость распространения продольных волн значительно больше скорости распространения сдвиговых волн.

    Сила (интенсивность) звука — количество звуковой энергии, проходящей за единицу времени через единицу площади; измеряется в ваттах на квадратный метр (Вт/м2). Следует отметить, что звуковое давление и сила звука связаны между собой квадратичной зависимостью, т.е. увеличение звукового давления в 4 раза приводит к увеличению силы звука в 16 раз.

    Уровень силы звука — отношение силы данного звука I к нулевому уровню, за который принята сила звука I = 10–12 Вт/м2, выраженное в децибелах (дБ).

Уровни звукового давления и силы звука, выраженные в децибелах, совпадают по величине.

    Порог слышимости — самый тихий звук, который способен различить человек на частоте 1000 Гц, что соответствует звуковому давлению

    Громкость звука — интенсивность звукового ощущения, вызванная данным звуком у человека с нормальным слухом. Громкость зависит от силы звука и его частоты, измеряется пропорционально логарифму силы звука и выражается количеством децибел, на которое данный звук превышает по интенсивности звук, принятый за порог слышимости. Единицей абсолютной шкалы громкости является сон. Громкость в 1 сон — это громкость непрерывного чистого синусоидального тона частотой 1 кГц, создающего звуковое давление 2 мПа.

    Уровень громкости звука — относительная величина. Она выражается в фонах и численно равна уровню звукового давления в 1 дБ, создаваемого синусоидальным тоном частотой 1 кГц такой же громкости, как и измеряемый звук (равногромким данному звуку).

    Динамический диапазон — диапазон громкостей звука или разность уровней звукового давления самого громкого и самого тихого звуков, выраженная в децибелах.

    Частота колебаний f – это число сжатий (разрежений), проходящих в единицу времени через данную точку пространства. Частота обратно пропорциональна периоду колебаний T звуковой волны: f = 1/T.

    Длина звуковой волны λ – это расстояние, на которое распространяется возмущение за один период, т. е. расстояние между двумя соседними областями сжатия (или разрежения).

    Скорость звуковой волны υ – это скорость, с которой движется область сжатия (разрежения) в данной материальной среде (воздух, вода и др.); она равна произведению длины волны на частоту: υ = λf.

    Зная частоту колебаний и скорость звука, легко вычислить длину звуковой волны λ = υ/f. Например, в воздухе при температуре T, равной  20 °С и скорости звука υ = 343,6 м с для частоты f = 16 Гц длина волны на границе диапазона слышимости составляет 21,5 м, а для f = 20 кГц – всего 17,2 мм.

    Источником образования акустического канала утечки информации являются вибрирующие, колеблющиеся тела и механизмы, такие как голосовые связки человека, движущиеся элементы машин, телефонные аппараты, звукоусилительные системы и т.д.

    В зависимости от физической природы возникновения информационных сигналов, среды распространения акустических колебаний и способов их перехвата технические каналы утечки акустической (речевой) информации можно разделить на воздушные, вибрационные, электроакустические, оптико-электронный и параметрические

    Понятно, что в воздушных акустических каналах утечки средой распространения акустических сигналов является воздух, а в качестве основного средства перехвата используется микрофон. Микрофон преобразует акустический сигнал в электрический и соединяется либо с записывающим устройством, либо с каким-то передатчиком. Передача полученных сигналов злоумышленнику может происходить по многим каналам: радиоканалу, оптическому каналу, по электросети и т.п.

    Средой распространения акустических колебаний в вибрационных каналах являются конструкции зданий, стены, потолки, трубы и другие твердые тела. Для перехвата такой информации используются стетоскопы, в которых в качестве датчиков используются контактные микрофоны. Таким образом, электронные стетоскопы позволяют перехватывать информацию без доступа в защищаемые помещения. Внешний вид портативного стетоскопа представлен на рис. 1.

Рис.1. Малогабаритный электронный стетоскоп PKI 2850 с контактным микрофоном

    Типичным представителям портативных электронных стетоскопов является стетоскоп PKI 2850. Размеры усилительного блока - 95х60х25 мм, а контактного микрофона – 50х35х15 мм. Несмотря на маленькие размеры, коэффициент усиления стетоскопа не менее 80 дБ. Время работы от встроенного аккумулятора – до 800 ч.

    Современные электронные стетоскопы имеют коэффициент усиления порядка 80 - 100 дБ и способны улавливать даже такие слабые звуковые колебания, как шорох и тиканье часов. Датчики электронных стетоскопов могут устанавливаться на стенах, за дверными проемами, под подвесными потолками, на перегородках, трубах систем отопления и водоснабжения, коробах воздуховодов вентиляционных систем и соединяться с блоком усиления специально проложенным кабелем, так же, как в проводных микрофонных системах.

    Электроакустические каналы утечки информации возникают за счет электроакустических преобразований, то есть акустические сигналы преобразуются в электрические. Из окружающих нас устройств наиболее известны такие акустоэлектрические преобразователи, как системы звукового вещания, телефоны и микрофоны.

    Оптико-электронный канал. Съем информации в таком канале реализуется с помощью лазера, поэтому иногда этот канал называют лазерным. Под действием звуковой волны тонкие отражающие поверхности, например, стекло или зеркало, начинают вибрировать. Если направить на них лазер, отраженное лазерное излучение модулируется и поступает на вход приемника оптического излучения. В приемнике полученный сигнал демодулируется и усиливается, и злоумышленник может получить исходный акустический сигнал.

    Возникновение параметрических каналов обусловлено тем, что под давлением звуковой волны может измениться взаимное расположение элементов схем, проводов и т.п. в ВТСС и ОТСС. Вместе с расположением изменяются индуктивность и емкость. Соответственно, будет наблюдаться модуляция сигналов, проходящих через ВТСС и ОТСС, информационным сигналом, содержащимся вакустической волне.     Промодулированные сигналы излучаются в пространство, где могут быть перехвачены средствами радиоразведки.

    Если в помещении установлены полуактивные закладные устройства с элементами, параметры которых могут изменяться под действием акустической волны, возможен съем информации с помощью ВЧ-облучения. При облучении мощным высокочастотным сигналом помещения, в котором установлено такое закладное устройство, в последнем при взаимодействии облучающего электромагнитного поля со специальными элементами закладки (например, четвертьволновым вибратором) происходит образование вторичных радиоволн, то есть переизлучение электромагнитного поля. А специальное устройство закладки (например, объемный резонатор) обеспечивает амплитудную, фазовую или частотную модуляцию переотраженного сигнала по закону изменения речевого сигнала. Подобного вида закладки иногда называют полуактивными. Для перехвата информации по данному каналу кроме закладного устройства необходимы специальный передатчик с направленным излучением и приемник.

    Схема утечки акустической информации с помощью ВЧ-навязывания показана на рисунке 2:

Рис. 2. Схема утечки акустической информации с помощью ВЧ-навязывания

    Для ВЧ – навязывания не обязательно использовать закладные устройства. Можно облучать любые устройства, обладающие "микрофонным эффектом", и получать в отраженной волне модулированный информационным сигнал. Такие параметрические каналы утечки информации иногда называют пассивными, так как они не требуют от злоумышленника предварительной установки закладных устройств и возникают в результате естественных физических процессов. Интересным фактом является то, что аппаратура высокочастотного навязывания может подключаться к соединительной линии ВТСС на удалении до нескольких сот метров от контролируемого помещения.

    Рассмотрим наиболее распространенные средства, не требующие проникновения в защищаемые помещения.

    В случае если в защищаемом помещении открыто окно или форточка, для съема акустической информации могут использоваться направленные микрофоны. Различают следующие типы направленных микрофонов:

• параболические;
• трубчатые;
• плоские;
• градиентные.

    В основном используются первые три типа направленных микрофонов.

    Параболический микрофон (рис. 3) содержит отражатель звука параболической формы из оптически прозрачного или непрозрачного материала диаметром 20-30 см, в фокусе которого располагается обычный микрофон.

Рис. 3. Схема параболического микрофона

    Звуковые волны с осевого направления, отражаясь от параболического зеркала, суммируются в фазе в фокальной точке А. Возникает усиление звукового поля. Чем больше диаметр зеркала, тем большее усиление может обеспечить устройство. Если направление прихода звука не осевое, то сложение отраженных от различных частей параболического зеркала звуковых волн, приходящих в точку А, даст меньший результат, поскольку не все слагаемые будут в фазе. Ослабление тем сильнее, чем больше угол прихода звука по отношению к оси. Создается, таким образом, угловая избирательность по приему. Внешний вид параболических микрофонов представлен на рисунке слева. Параболический микрофон является типичным примером высокочувствительного, но слабонаправленного микрофона. Наиболее простым по конструкции является направленный микрофон "Супер Ухо – 100". Параболический отражатель выполнен из пластика. В фокусе отражателя помещен электретный микрофон, подключенный к входу малошумящего усилителя низкой частоты. Встроенный 8-кратный бинокль позволяет точно навести микрофон на цель. Микрофон имеет размеры 290х150х90 мм и массу 1,2 кг. Питание микрофона осуществляется от батарейки типа "крона". Время работы от внутренней батарейки – до 60 ч.

    Микрофоны "бегущей волны" называются трубчатыми. Они принимают звук вдоль линии, совпадающей с направлением источника звука (рис. 4).

Рис. 4. Схема работы трубчатого микрофона

    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. Отверстия (прорези) в трубке закрыты тканью или пористым материалом, акустическое сопротивление которого возрастает по мере приближения к капсюлю. Очевидно, что при приеме звука с осевого направления будет происходить сложение в фазе сигналов, проникающих в звуковод через все щелевые отверстия, поскольку скорости распространения звука вне трубки и внутри нее одинаковы. Когда же звук приходит под углом к оси микрофона, то это ведет к фазовому рассогласованию, так как скорость звука в трубке будет больше осевой составляющей скорости звука вне ее, вследствие чего снижается чувствительность приема. Обычно длина трубчатого микрофона составляет от 15-200 мм до 1 м. Чем больше его длина, тем сильнее подавляются помехи с боковых и тыльного направлений. Внешний вид трубчатого микрофона представлен на рисунке слева.

    Трубчатые направленные микрофоны по сравнению с параболическими более компактные и используются в основном в случаях, когда необходимо обеспечить скрытность прослушивания разговоров.

    Плоский микрофон представляет собой фазированную акустическую решетку, в узлах которой размещаются микрофоны, сигналы которых суммируются на входе усилителя. Устройство реализует идею одновременного приема звукового поля в дискретных точках некоторой плоскости, перпендикулярной к направлению на источник звука (рис. 5).

Рис. 5. Схема плоского микрофона

    Если звук приходит с осевого направления, то есть поверхность решетки перпендикулярна направлению звука, фазы электрических сигналов совпадают и звук максимален. При отклонении угла прихода акустических волн между сигналами от разных микрофонов возникает разность фаз из-за различий длин путей от источника к разным микрофонам. Таким образом, чем больше угол прихода звука, тем сильнее его ослабление. Число приемных точек в таких решетках составляет несколько десятков. Конструктивно плоские фазированные решетки встраиваются либо в переднюю стенку атташе-кейса, либо в майку-жилет, которая надевается под рубашку и т.п. Необходимые электронные блоки могут располагаться также в кейсе, либо под одеждой. Таким образом, плоские фазированные решетки с камуфляжем визуально более незаметны по сравнению с параболическим микрофоном.

    Говоря о направленных микрофонах, подразумевают, прежде всего, ситуации акустического контроля источников звука на открытом воздухе, когда эффектами так называемой реверберации акустических полей можно пренебречь. Для таких ситуаций решающим фактором оказывается удаленность источника звука от направленного микрофона, что приводит к значительному ослаблению уровня звукового поля. Кроме того, при большой дистанции становится заметным ослабление звука из-за разрушения пространственной когерентности поля вследствие наличия естественных рассеивателей энергии, например, средне- и крупномасштабных турбулентностей атмосферы, создающих помехи при ветре. Так на дистанции 100 м давление звука ослабляется на величину не менее 40 дБ (по сравнению с дистанцией 1 м), и тогда степень громкости обычного разговора в 60 дБ окажется в точке приема не более 20 дБ. Такое давление меньше уровня реальных внешних акустических помех и пороговой чувствительности обычных микрофонов.

    Лазерные микрофоны используют для перехвата информации отраженной и промодулированной зондируемой поверхностью луч лазера (рис. 6).

Рис. 6. Схема применения лазерного микрофна

    Зондируемым объектом обычно является оконное стекло, которое при облучении представляет собой своеобразную мембрану, которая колеблется со звуковой частотой, создавая фонограмму разговора. Генерируемое лазерным передатчиком излучение, распространяясь в атмосфере, отражается от поверхности оконного стекла и модулируется акустическим сигналом, а затем воспринимается фотоприемником, который и восстанавливает разведываемый сигнал.

    В данной технологии принципиальное значение имеет процесс модуляции, который можно описать следующим образом.

    Звуковая волна, генерируемая источником звукового сигнала, падает на границу раздела воздух - стекло и создает своего рода вибрацию, то есть отклонения поверхности стекла от исходного положения. Эти отклонения вызывают дифракцию света, отражающегося от границы. Если размеры падающего оптического пучка малы по сравнению с длиной "поверхностной" волны, то в суперпозиции различных компонент отраженного света будет доминировать дифракционный пучок нулевого порядка. В этом случае, во-первых, фаза световой волны оказывается промодулированной по времени с частотой звука и однородной по сечению пучка, а во-вторых, пучок "качается" с частотой звука вокруг направления зеркального отражения.

    На риснке слева изображена лазерная система акустической разведки SIPE LASER 3-DA SUPER. Источником излучения является гелий-неоновый лазер. В комплект системы помимо источника входят приемник с фильтрацией шумов, две пары телефонов, аккумулятор и штатив. Изменять угол расходимости выходящего пучка позволяет оптическая насадка, высокая стабильность параметров достигается благодаря использованию системы автоматического регулирования. Модель обеспечивает съем речевой информации с оконных рам с двойными стеклами с хорошим качеством на расстоянии до 250 м.

    В данной лекции мы рассмотрели большое количество технических средств для ведения акустической разведки: от стандартных микрофонов до лазерных систем акустической разведки. Ценовой диапазон этих устройств достаточно широк – от 30 долларов за мини-диктофон до нескольких десятков тысяч долларов за лазерную систему акустической разведки. Помимо финансовых затрат применение того или иного средства акустической разведки требует от злоумышленника определенного уровня квалификации. Чтобы купить и установить мини-диктофон или микрофон в защищаемом помещении не нужно обладать знаниями о физических принципах его работы и большими деньгами. В то же время лазерная система акустической разведки может стать эффективным средством получения информации только при грамотной эксплуатации. Если же злоумышленник не обладает нужными знаниями, тысячи (а иногда и десятки тысяч) долларов могут быть потрачены впустую. Конечно, выбор того или иного средства для разведки осуществляется прежде всего исходя из ценности добываемой информации. В любом случае специалисту в области защиты информации необходимо знать, какие угрозы съема информации существуют, чтобы организовать защиту с учетом особенностей функционирования и расположения объектов защиты, технических и финансовых возможностей потенциального злоумышленника.