Краткие теоретические сведения

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:

Акустические и виброакустические каналы утечки информации.

\

Москва - 2012

Краткие теоретические сведения

Речь, основу которой составляют звуки, является одним из основных коммуникационных средств.

Звук – распространяющиеся в упругих средах (газах, жидкостях и твердых телах) механические колебания, воспринимаемые органами слуха и техническими средствами приема акустических сигналов.

Органы слуха человека способны воспринимать колебания частотой от 20 Гц до 16-20 кГц. Колебания с указанными частотами называются звуковыми. Неслышимый звук частотой менее 16 Гц называют инфразвуком, выше 20 кГц – ультразвуком. Звуковые колебания характеризуются рядом параметров, в том числе звуковым давлением, интенсивностью, громкостью, мощностью.

Громкость звука – величина, характеризующая слуховое ощущение для данного звука. Громкость звука сложным образом зависит от звукового давления (или интенсивности звука), частоты и формы колебаний.

Интенсивность (сила) звука – энергетическая характеристика звуковых колебаний, характеризуется средней по времени энергией, переносимой звуковой волной через единичную площадку, перпендикулярную к направлению распространения волны в единицу времени. Интенсивность (сила) звука от величины звукового давления, а также от среды распространения.

Звуковое давление (Р) – это переменная часть давления, возникающего при прохождении звуковой волны в среде распространения.

Под звуковым давлением понимается сила, воздействующая на единицу площади. Звуковое давление измеряется в паскалях.

На практике при измерениях и анализе звуковых характеристик обычно применяется относительная величина акустического звукового давления L (дБА), выраженная в децибелах, как отношение величины измеренного звукового давления (Р _изм.) к пороговому значению (порог слышимости) звукового давления (P₀), принятому равным: P₀ = 2×10^-5 Па.

В этом случае давление звукового поля определяется выражением.

L = 20 lg (Р_изм / P₀)

Дополнительная информация:

1. При средней громкости разговора переменная составляющая звукового давления равняется примерно 0,1 Па, что соответствует 74 дБА.

2. Измерительные приборы для инструментальной оценки величины звукового давления откалиброваны в дБА.

Динамический диапазон звукового давления, различаемый человеческим ухом, огромен. Величина отношения уровня наиболее тихого, но ещё различимого звука, к уровню наиболее громкого, но еще не приводящего к потере слуха, приблизительно равно миллиону раз.

В табл.1 приведены примеры значений уровня звукового давления, воспринимаемого человеком как громкость, единицей которой является «фон».

Таблица 1

Звук	Давление (дБА)
Порог слышимости Тихий шелест листвы Тиканье часов Шепот на расстоянии 1м Тихий разговор Речь средней громкости Громкая речь Крик Реактивный самолет на старте: - на расстоянии 5 м - на расстоянии 3 м Взлетающий реактивный самолет Ударная волна от сверхзвукового самолёта

Дополнительная информация:

1. При давлении 130 дБА возникает болевой порог в органах слуха.

2. В диапазоне от 135 до 160 дБА возникают контузия, шок и травмы.

3. При уровнях звука свыше 160 дБА возможен разрыв барабанных перепонок и лёгких, больше 200 дБА – летальный исход.

4. Фон (от греч. phone – звук) – единица уровня громкости звука. В связи с тем, что на разных частотах одинаковую громкость могут иметь звуки разной интенсивности (различающиеся звуковым давлением), громкость звука оценивают, сравнивая её с громкостью стандартного чистого тона (обычно частотой 1000 Гц). 1 фон – разность уровней громкости двух звуков данной частоты, для которых равные по громкости звуки с частотой 1000 Гц отличаются по интенсивности (уровню звукового давления) на 1 децибел. Для чистого тона частотой 1000 Гц шкала фонов совпадает со шкалой децибел.

Речевой тракт человека представляет собой сложный акустический фильтр с рядом резонансных полостей. Максимумы концентрации энергии в спектре речевого сигнала называются формантами (рис.1.)

Рис.1. Пример распределение энергии в спектре звука речи для буквы «З».

Поскольку основной задачей объекта, воспринимающего речь, является получение максимально возможного объема сведений, для его количественной оценки используется понятие «разборчивость речи» (W).

Данный критерий позволяет количественно оценить степень информативности принятого речевого сообщения и определяется относительным (процентным) соотношением правильно принятых элементов речи от общего количества, переданного по тракту передачи.

В качестве элементов речи могут выступать, в частности слога и слова, определяющие соответственно слоговую и словесную разборчивость.

Разборчивость, как характеристики принятого речевого сигнала должна быть максимально возможной, в идеале 100 %, для случая легального приема.

С другой стороны, для случая несанкционированного перехвата речевых сообщений (подслушивания), разборчивость в месте приёма, должна быть минимальной.

Экспериментальные работы показали, что:

- при словесной разборчивости менее 60-70% невозможно получение полного представления о содержании разговора;

- при словесной разборчивости менее 40-60% невозможно получение обобщенного представления о содержании разговора

- при словесной разборчивости менее 20-40% затруднено установление темы ведущегося разговора;

- при словесной разборчивости менее 10-20% теряется смысловая составляющая речевого сигнала.

На разборчивость принятого речевого сигнала напрямую влияет величина давления звукового поля, от которого зависит уровень громкости воспринимаемой речи. Кроме того, в месте приема звукового сигнала всегда присутствуют внешние шумы, ухудшающие качество принятого сигнала. Таким образом, разборчивость речи (W) можно определить как функцию отношения двух переменных: полезного (L_с) и шумового (L_ш) сигналов.

Таким образом, для защиты речевой информации, то есть уменьшения разборчивости в месте возможного приема, необходимо, либо уменьшить уровень звукового сигнала (L_с), либо увеличить уровень шумовой акустической помехи (L_ш).

Уменьшение уровня речевого сигнала в месте возможного нахождения злоумышленника, относится к пассивным методам защиты и предполагает улучшение звукоизоляции (Q) строительных конструкций и инженерных коммуникаций (двери, окна, вентиляционные короба) до некоторых нормированных значений Q _н.

Обеспечение невозможности нахождения посторонних лиц внутри зоны, где не выполняется требование по величине звукоизоляции Q _н относится к организационным мерам.

Технологии защиты, связанные с искусственным увеличением уровня шумовой акустической помехи с использованием специальных генераторов шумового акустического и виброакустического сигнала, относятся к активным методам.

Учитывая неравномерность формантного распределения в спектре речи, каждая спектральная составляющая неодинаково вносит свой вклад в разборчивость речи.

В практике измерения и анализа речевых сигналов широко используется разбиение исследуемого спектра речевого сигнала на октавные полосы, с центральными частотами. 250; 500; 1000; 2000; 4000; 8000 Гц.

Дополнительная информация:

Октава - частотный диапазон, крайние точки которого, находятся в соотношении 1: 2. Например: 250-500 Гц, 500-1000 Гц.

Вклад составляющих спектра русской речи равны значениям, приведенным в таблице 2.

Таблица 2

Центральные частоты октавных полос (Гц)
Разборчивость формант (%)	6,7	12,5	21,2	29,4	25,0	5,2

Как видно из табл.2, наибольшая информативность речи определяется формантами, расположенными в октавных полосах с центральными частотами именно до 4000 Гц.

Учитывая, что спектр речи не является линейной функцией и каждая его часть (форманта) вносит свой вклад в информационную составляющую речи, измерения параметров спектра речевого сигнала обычно проводят в октавных полосах.

Таблица 3

Центральные частоты октавных полос (Гц)
Lр (дБА) речь средней громкости (интегральный уровень 70 дБА)
Lр (дБА) очень громкая речь, или речь усиленная техническими средствами (интегральный уровень 84 дБА)

Человеческое ухо не одинаково реагирует на частотные составляющие звуков различной громкости. На рис. 2 приведены так называемые «кривые равной громкости», утвержденные в качестве нормативных Международной организацией стандартов.

Данные диаграммы показывают зависимость восприятия органами слуха частотных различных составляющих звукового сигнала, в зависимости от уровня громкости.

Рис. 2.

Учитывая неравномерную характеристику восприятия звукового сигнала, при измерениях энергетических параметров речи, выбирают характеристику встроенных в шумомер фильтров, типа «А», как оптимизированную для измерения звуковых сигналов, выраженных в единицах дБА.

Исходя из функциональной связи разборчивости речи, какосновного критерия информационной защищенности, с величинамигромкости речи и акустической помехи, защищенность речевой информации оценивается отношением сигнал/шум на входе акустического приемника (ухо человека, специальные акустические приемники), в месте возможного подслушивания.

3. Цели и учебные вопросы лабораторной работы:

Цели лабораторной работы:

1. Практически ознакомиться с особенностями акустического и виброакустического каналов утечки информации.

2. Получить практические навыки по работе с измерительными приборами, применяемых для проведения акустических и виброакустических измерений.

4. Состав измерительной аппаратуры и порядок ее размещения.

4.1 В состав лабораторного стенда входят:

1. Комплект аппаратуры VNG-006D c громкоговорителем SWS-03.

2. Измеритель шума и вибраций «ВШВ-003» с измерительным микрофоном.

3. Малогабаритный широкополосный шумомер «Center-325».

4. Малогабаритный широкополосный шумомер «Center-321».

5. Прибор «Пиранья-Р».

5. Методика проведения лабораторной работы

Перед началом измерений выполнить следующие мероприятия:

1. Ознакомиться с теоретической частью лабораторной работы.

2. Перед началом работы изучить и сдать коллоквиум по технике безопасности при работе с электрооборудованием, а так же устройству и методике работы со специализированными измерительными приборами.

3. После разрешения преподавателя приступить к дальнейшей работе.

4. Под руководством преподавателя собрать или проверить правильность коммутации компонентов лабораторного стенда.

5. Установить органы управления измерителя шума и вибраций ВШВ-003 в следующие положения:

· Переключатели «Делитель I; II» в положения максимального ослабления, соответственно 80 и 50 (dB).

· Переключатель «Фильтры октавные» в положение 250 Гц.

· Кнопочный переключатель «Фильтры октавные» в положение включено.

· Переключатель «Род работы» в положение «S» - медленно.

· Переключатель «Фильтры» в положение «А».

· Остальные кнопочные переключатели в положении отключено (отжат).

ВНИМАНИЕ!

Микрофоны, входящие в состав шумомеров ВШВ-003, Center-321 и Center-325 являются прецизионными устройствами, не выдерживающими удары и другие физические воздействия. При работе необходимо соблюдать осторожность и в промежутках между измерениями аккуратно класть приборы в указанное преподавателем место.

Экспериментальная часть лабораторной работы.

· Для уменьшения погрешностей измерения, вызываемых дифракционными волновыми процессами, каждое измерение необходимо проводить три раза. Результат каждого измерения вычисляется как среднее арифметическое трех значений.

· Постоянную времени измерения приборов ВШВ-003 и Center-325, при всех измерениях устанавливать положение - «медленно» (см. описание приборов)

· Переключатель «ФИЛЬТРЫ» шумомера Center-325, всегда должны быть установить в положение «А».

· Каждое измерение проводится после стабилизации показателя на шкале шумомера (3-5 сек.)

· Учитывая неблагоприятную шумовую обстановку в коридоре, при проведении оценочных исследований желательно все измерения проводить достаточно оперативно, стараясь минимизировать внешние шумовые помехи.

· При работе, без необходимости, не держать шумомер Center-325 во включенном состоянии, во избежание излишнего разряда автономного источника электропитания.

Для проведения измерений необходимо выполнить следующее:

Включить электропитание лабораторных приборов.

1. С помощью шумомеров оценить уровень звукового давления речи в широкой полосе и октавных полосах. Измерения провести для женского и мужского голосов. Данные занести в таблицу.

	Мужской голос	Женский голос
1 изм.	2 изм.	3 изм.	среднее	1 изм.	2 изм.	3 изм.	cреднее
CENTER 325
Широкая полоса
CENTER 321
Широкая полоса
ВШВ-003
125 Гц
250 Гц
500 Гц
1000 Гц
2000 Гц
4000 Гц

2. С помощью устройства «Пиранья-Р» ознакомится с оциллограмой и спектрограммой речи. Сравнить осциллограммы и спектрограммы гласных, звонких и шипящих согласных звуков. Оценить частоты максимальной энергетики речи. Произвести сравнение мужского и женского голосов. Зарисовать осциллограмму и спектрограмму

3. С помощью шумомеров Center-325 и Center 321 и стереотелефонов оценить возможность прослушивания тихой речи с расстояния 5÷7 м, а также из-за закрытой двери аудитории.

4. С помощью шумомера ВШВ-003 и устройства «Пиранья-Р» оценить возможность распространения речевых сигналов в твердых средах. Устанавливаем акселерометр на проверяемую поверхность и оцениваем слышимость по 5 бальной шкале. Данные занести в таблицу.

Оконное стекло	Оконная рама	Батарея отопления	Канализационная труба	Наружная стена	Внутренняя стена
Дверь	Дверная рама	Шкаф	Остекление шкафа	Стол	Классная доска

5. Не включая тестовый сигнал, поочередно измерить уровень звукового давления естественной шумовой помехи (L_шума) в помещении лаборатории (ауд. 512). Измерения проводить прибором ВШВ-003 в октавных полосах с центральными частотами 250; 500; 1000; 2000; 4000 Гц. Измерения в широкой полосе произвести с помощью шумомера Center-325. Результаты измерения занести в таблицу отчета.

6. Измерить уровень звукового давления нормальной речи (L_речи). Результаты занести в таблицу.

Подключив стереотелефоны к ВШВ-003 во всех октавных полосах оценить по пятибалльной шкале разборчивость речевого сигнала. Данные занести в таблицу.

Результаты занести в таблицу измерений.

	Уровень звукового давления естественной шумовой помехи	Уровень звукового давления нормальной речи	Разборчивость речи
Широкая полоса
125 Гц
250 Гц
500 Гц
1000 Гц
2000 Гц
4000 Гц

6. Оформление отчета.

Отчет по выполненной лабораторной работе выполняется на отдельных листах в рукописном или печатном вариантах и включает следующие разделы:

· наименование лабораторной работы и ее учебные вопросы;

· описание и схема лабораторной установки;

· таблицы с измеряемыми параметрами

· предложения и выводы.

6. Литература:

· Халяпин Д.Б. «Защита информации. Вас подслушивают? Защищайтесь», М., Изд-во Школа охраны «Баярд», 2004 г.

· Торокин А.А. «Инженерно-техническая защита информации», М. «Гелиос АРВ», 2005 г.