Российский государственный социальный университет

Кафедра информационной безопасности и программной инженерии

Смолин С.Л.

Учебное методическое пособие

по выполнению лабораторной работы

по учебной дисциплине

"Физические основы защиты информации"

Тема:

Технические каналы утечки информации.

Акустоэлектрические преобразования.

Москва - 2012

1. Краткие теоретические сведения

Акустоэлектрический преобразователь – это устройство, предназначенное для преобразования акустических колебаний в электрические сигналы. Электроакустические преобразователи осуществляют обратный процесс. Примером первого является микрофон, второго – громкоговоритель.

Рассмотрим их подробнее.

Микрофо́н (от греч. μικρός — маленький, φωνη — звук) — электроакустический прибор, преобразовывающий звуковые колебания в колебания электрического тока, устройство ввода. Служит первичным звеном в цепочке звукозаписывающего тракта или звукоусиления. Микрофоны используются во многих устройствах, таких как телефоны и магнитофоны, в звукозаписи и видеозаписи, на радио и телевидении, для радиосвязи, а также для ультразвукового контроля и измерения.

Основными типами микрофонов являются (см. рис. 1):

• Угольный;

• Электромагнитный;

• Электродинамический;

• Ленточный:

• Конденсаторный;

• Пьезоэлектрический.

Рис. 1 Устройство микрофонов: а - угольного; б - электромагнитного; в - электродинамического; г - ленточного; д - конденсаторного; е - пьезоэлектрического

Угольный микрофон (рис. 1, а) работает следующим образом. При воздействии звукового давления на его диафрагму 1 она начинает колебаться. В такт этим колебаниям изменяется и сила сжатия зерен угольного порошка 2, в связи с чем изменяется сопротивление между электродами 3 и 4, а при постоянном электрическом напряжении изменяется и ток через микрофон. Если подключить микрофон к первичной обмотке трансформатора, то на зажимах его вторичной обмотки будет возникать переменное напряжение, форма кривой которого будет отображать форму кривой звукового давления, воздействующего на диафрагму микрофона.

Основное преимущество угольного микрофона - высокая чувствительность, позволяющая использовать его без усилителей. Недостатки - нестабильность работы и шум из-за того, что полезный электрический сигнал вырабатывается при разрыве и восстановлении контактов между отдельными зернами порошка, большая неравномерность частотной характеристики и значительные нелинейные искажения. 

После угольного микрофона появился электромагнитный микрофон, который работает следующим образом (рис. 1, б). Перед полюсами (полюсными наконечниками) 2 магнита 3 располагают ферромагнитную диафрагму 1 или скрепленный с ней якорь. При колебаниях диафрагмы под воздействием на нее звукового давления меняется магнитное сопротивление системы, а значит, и магнитный поток через витки обмотки, намотанной на магнитопровод этой системы. Благодаря этому на зажимах обмотки возникает переменное напряжение звуковой частоты, являющееся выходным сигналом микрофона.

Электромагнитный микрофон стабилен в работе. Однако ему характерен узкий частотный диапазон, большая неравномерность частотной характеристики и значительные нелинейные искажения. 

В противоположность электромагнитному микрофону чрезвычайно широкое распространение для целей озвучения, звукоусиления получил электродинамический микрофон в своих двух модификациях - катушечной и ленточной. 

Принцип действия электродинамического катушечного микрофона состоит в следующем (рис. 1, в). В кольцевом зазоре 1 магнитной системы, имеющей постоянный магнит 2, находится подвижная катушка 3, скрепленная с диафрагмой 4. При воздействии на последнюю звукового давления, она вместе с подвижной катушкой начинает колебаться. В силу этого в витках катушки, перерезывающих магнитные силовые линии, возникает напряжение, являющееся выходным сигналом микрофона.

Электродинамический микрофон весьма стабилен в работе, имеет довольно широкий частотный диапазон, сравнительно небольшую неравномерность частотной характеристики. 

Устройство ленточного электродинамического микрофона несколько отличается от устройства катушечной модификации (рис. 1, г). Здесь магнитная система микрофона состоит из постоянного магнита 1 и полюсных наконечников 2, между которыми натянута легкая и тонкая (порядка 2 мкм), обычно алюминиевая, ленточка 3. При воздействии на обе ее стороны звукового давления возникает сила, под действием которой ленточка начинает колебаться, пересекая при этом магнитные силовые линии, вследствие чего на ее концах возникает напряжение.

Т.к. сопротивление ленточки очень мало, то для уменьшения падения напряжения на соединительных проводниках, напряжение, возникающее на концах ленточки, подается на первичную обмотку повышающего трансформатора, размещенного непосредственно вблизи ленточки. Напряжение на зажимах вторичной обмотки трансформатора является выходным напряжением микрофона.

Частотный диапазон этого микрофона довольно широк, а неравномерность частотной характеристики невелика.

Для электроакустических трактов высокого качества наибольшее распространение в настоящее время получил конденсаторный микрофон. Он работает следующим образом (рис. 1, д): жестко натянутая мембрана 1 под воздействием звукового давления может колебаться относительно неподвижного электрода 2, являясь вместе с ним обкладками электрического конденсатора. Этот конденсатор включается в электрическую цепь последовательно с источником постоянного тока Е и активным нагрузочным сопротивлением R. При колебаниях мембраны емкость конденсатора изменяется с частотой воздействующего на мембрану звукового давления, в следствии чего, в электрической цепи появляется переменный ток той же частоты и на нагрузочном сопротивлении возникает падение напряжения, являющееся выходным сигналом микрофона.

Нагрузочное сопротивление должно быть большим, чтобы падение напряжения на нем не уменьшалось сильно на низких частотах, где емкостное сопротивление конденсатора очень велико и эксплуатация такого микрофона была бы невозможна из-за сравнительно небольшого сопротивления микрофонных линий и нагрузки. По этой причине почти у всех современных конденсаторных микрофонов предусмотрены конструктивно связанные с самим микрофоном усилители, имеющие малый коэффициент усиления (порядка 1), высокое входное и низкое выходное сопротивления.

Конденсаторные микрофоны имеют самые высокие качественные показатели: широкий частотный диапазон, малую неравномерность частотной характеристики, низкие нелинейные и переходные искажения, высокую чувствительность и низкий уровень шумов.

Электретные микрофоны, по существу, те же конденсаторные, но постоянное напряжение для них обеспечивается не обычным источником, а электрическим зарядом мембраны или неподвижного электрода, материалы которых отличаются тем, что способны сохранять этот заряд длительное время.

Некоторое распространение получили пьезоэлектрические микрофоны (рис. 1, е). Их действие основано на том, что звуковое давление воздействует непосредственно или через диафрагму 1 и скрепленный с ней стержень 2 на пьезоэлектрический элемент 3. При деформации последнего на его обкладках вследствие пьезоэлектрического эффекта возникает напряжение, являющееся выходным сигналом микрофона. 

Громкоговоритель — устройство для преобразования электрических сигналов в акустические и излучения их в окружающее пространство (обычно — воздушную среду). Состоит из одной или нескольких излучающих головок, которые собственно и являются источниками звука, а также акустического оформления, необходимого для более эффективного излучения звука в заданной полосе частот.

Функционально к громкоговорителям близки телефоны (наушники), однако в отличие от громкоговорителей они не предназначены для излучения звука в открытое пространство. Громкоговоритель, выполненный в виде закрытого корпуса той или иной формы (чаще параллелепипед, куб) называется акустической системой или (неправильно) колонкой.

Виды громкоговорителей в зависимости от способа излучения звука

• Электродинамический громкоговоритель — в нём источником механических колебаний диффузора является лёгкая катушка, движущаяся в поле мощного магнита (рис. 2).

• Ленточный громкоговоритель - источником сигнала является тонкая металлическая лента, на которую подается напряжение, расположенная между двумя магнитами. (рис. 4).

• Электростатический громкоговоритель — основан на электростатическом взаимодействии тонких мембран, между которыми приложено высокое напряжение

• Пьезоэлектрический громкоговоритель — основан на пьезоэффекте.

• Электромагнитный громкоговоритель — в нём диффузор из магнитных материалов движется под действием магнитного поля электромагнита

• Громкоговорители на базе динамических головок специальных видов.

Рис. 2. Устройство электродинамического громкоговорителя.

Если мы посмотрим на поперечный разрез электродинамического громкоговорителя (рис.3), то можно легко убедиться в том, что он практически полностью соответствует конструкции электродинамического микрофона (рис. 1, в).

Рис. 3. Разрез электродинамического громкоговорителя.

То же самое можно сказать, сравнивая конструктивное исполнение ленточного громкоговорителя и ленточного микрофона.

Рис. 4. Принципиальное устройство ленточного громкоговорителя.

Акустоэлектрические технические каналы утечки информации возникают вследствие преобразования информативного сигнала из акустического в электрический за счет «микрофонного» эффекта в электрических элементах вспомогательных технических средств и систем (ВТСС).

Некоторые элементы ВТСС, в том числе трансформаторы, катушки индуктивности, электромагниты вторичных электрочасов, звонков телефонных аппаратов, дроссели ламп дневного света, электрореле и т. п., обладают свойством изменять свои параметры (емкость, индуктивность, сопротивление) под действием акустического поля, создаваемого источником акустических колебаний. Изменение параметров приводит либо к появлению на данных элементах электродвижущей силы (ЭДС), изменяющейся по закону воздействующего информационного акустического поля, либо к модуляции токов, протекающих по этим элементам, информационным сигналом. Например, акустическое поле, воздействуя на якорь электромагнита вызывного телефонного звонка, вызывает его колебание. В результате чего изменяется магнитный поток сердечника электромагнита. Изменение этого потока вызывает появление ЭДС самоиндукции в катушке звонка, изменяющейся по закону изменения акустического поля.

ВТСС, кроме указанных элементов, могут содержать непосредственно электроакустические преобразователи. К таким ВТСС относятся некоторые датчики пожарной сигнализации, громкоговорители ретрансляционной сети и т.д. Эффект электроакустического преобразования акустических колебаний в электрические часто называют «микрофонным эффектом». Причем из ВТСС, обладающих «микрофонным эффектом», наибольшую чувствительность к акустическому полю имеют абонентские громкоговорители и некоторые датчики пожарной сигнализации.

Классификация акустоэлектрических преобразований по физическим процессам, порождающим опасные сигналы, приведена на рис.5.

Рис. 5.

Генераторные (пассивные) акустоэлектрические преобразователи:

Рис. 6. Пьезоэлектрический преобразователь

Рис. 7. Электродинамический преобразователь

Рис. 8. Электромагнитный преобразователь

Параметрическо-модуляторные (активные) акустоэлектрические преобразователи.

Рис. 9. Емкостной преобразователь

Рис. 10. Индуктивный преобразователь

Рис.11. Механострикционный преобразователь

На рис. 6 приведена схема, полностью совпадающая с устройством, как пьезоэлектрического микрофона, так и громкоговорителя. Примерами преобразователей, изображенных на рис. 7, являются электродинамические микрофоны и громкоговорители. Вызывной звонок телефонного аппарата – типичный электромагнитный преобразователь. Пассивные (генераторные) акустоэлектрические преобразователи генерируют электрические сигналы под действием акустических колебаний. Активные (параметрически-модуляторные) сами не генерируют сигнала, но изменяя свои параметры под воздействием акустических колебаний, модулируют протекающий через них ток.

Рассмотрим их на примере конденсаторного преобразователя.

Основа конструкции конденсатора — две токопроводящие обкладки, между которыми находится диэлектрик (рис. 12).

Рис. 12. Конденсатор.

Емкость конденсатора С зависит от целого ряда параметров, в том числе от его линейных размеров (см. таблицу 1). Понятно, что под воздействием акустических колебаний (вибраций) возможно изменение расстояния между пластинами и т.п.

Плоский конденсатор
Цилиндрический конденсатор
Сферический конденсатор

Также от линейных размеров зависит и индуктивность соленоида, равная

L=μ₀N ²S/l,

где μ₀ – магнитная проницаемость вакуума, N - число витков, S - поперечное сечение, l - длина катушки.

Перехват акустических колебаний в данном канале утечки информации осуществляется путем непосредственного (гальванического) подключения к соединительным линиям ВТСС, обладающим «микрофонным эффектом», специальных высокочувствительных низкочастотных усилителей (пассивный акустоэлектрический канал). Например, подключая такие средства к соединительным линиям телефонных аппаратов с электромеханическими вызывными звонками, можно прослушивать разговоры, ведущиеся в помещениях, где установлены эти аппараты. Но вследствие незначительного уровня наведенной ЭДС дальность перехвата речевой информации, как правило, не превышает нескольких десятков метров.

Рис. 12 Схема акустоэлектрического пассивного технического канала утечки информации

Таблица 2

Состав и особенности ВТСС

Вид ВТСС	Элементы схемотехники, создающие каналы утечки информации
	Генераторы и ВЧ-усилители	Гетеродины	Трансформаторы, дроссели, реле	Динамики, микрофоны	Электромеханические устройства
Аналоговые ТА	-	-	+	+	+
Цифровые ТА	+	-	+	+	-
Датчики пожарной и охранной сигнализации	±	-	±	±	±
Электрочасы	-	-	+	-	+
Громкоговорители	+	-	+	+	-
Бытовая радиоэлектроненая аппаратура	±	±	±	±	±