Побочные преобразования акустических сигналов в электрические сигналы

Преобразователи внешних акустических сигналов в электри­ческие сигналы называются акустоэлектрическими преобразо­вателями. К акустоэлектрическим преобразователям относятся физические устройства, элементы, детали и материалы, способные под действием переменного давления акустической волны созда­вать эквивалентные электрические сигналы или изменять свои па­раметры. Классификация акустоэлектрических преобразователей по физическим процессам, создающим опасные сигналы, приведе­на на рис. 5.1.

Рис. 5.1. Классификация акустоэлектрических преобразователей

На выходе активных акустоэлектрических преобразователей под действием акустической волны возникают электрические сиг­налы. У пассивных акустоэлектрических преобразователей те же действия акустической волны вызывают лишь изменения парамет­ров преобразователей.

По способам формирования электрического сигнала активные акустоэлектрические преобразователи могут быть электродина­мическими, электромагнитными и пьезоэлектрическими.

Опасные сигналы в электродинамических акустоэлектри­ческих преобразователях возникают в соответствии с законом электромагнитной индукции при перемещении провода в магнит­ном поле под действием акустической волны (рис. 5.2).

Рис. 5.2. Принципы работы электродинамического акустоэлектрического преобразователя

Если провод длиной L под действием акустической волны со звуковым давлением Р перемещается со скоростью V в магнитном поле с индукцией В, то в нем при условии перпендикулярности си­ловых магнитных линий проводу и скорости его перемещения, воз­никает ЭДС величиной е = LBV. Так как V = PS/Z_Mc (Р — звуковое давление, S — площадь провода, на которую оказывает давление акустическая волна, z_mc— величина механического сопротивле­ния движению провода), то к - LBSP / Z_M.

Наибольшей чувствительностью обладают электродинамичес­кие акустоэлектрические преобразователи в виде динамических головок громкоговорителей (см. рис. 5.3).

Сущность преобразования состоит в следующем. Под давле­нием акустической волны соединенная с диффузором катушка в виде картонного цилиндра с намотанной на нем тонкой проволо­кой перемещается в магнитном поле, создаваемом постоянным магнитом цилиндрической формы. В соответствии с законом элек­тромагнитной индукции в проводах катушки возникает электро­движущая сила (ЭДС), величина которой пропорциональна гром­кости звука.

Рис. 5.3. Схема электродинамического громкоговорителя Аналогичный эффект возникает в электромагнитных акусто-электрических преобразователях. К ним относятся электромаг­ниты электромеханических звонков и капсюлей телефонных аппа­ратов, шаговые двигатели вторичных часов, кнопочные извещате-ли ручного вызова пожарной службы охраняемого объекта и др. Электрические сигналы индуцируются в катушках электромагни­тов этих устройств в результате изменений напряженности созда­ваемых ими полей, вызванных изменениями под действием акус­тической волны воздушного зазора между сердечником и якорем электромагнита или статора (неподвижной части) и ротора (под­вижной) части электродвигателя. Для приведенной на рис. 5.4 схе­мы электромагнитного акустоэлектрического преобразователя на­пряжение Е на концах проволоки, намотанной на катушке, пропор­ционально количеству витков W, площади s и относительной маг­нитной проницательности ju_o сердечника, обратно пропорциональ­но расстоянию А между полюсом сердечника и подвижного якоря. Перечень бытовых радио- и электроприборов, в которых воз­никают подобные процессы и которые устанавливаются в служеб­ных и жилых помещениях, достаточно велик. К ним относятся: те­лефонные аппараты с электромеханическими звонками, вторич­ные электрические часы системы единого времени предприятия или организации, вентиляторы и др. Уровни опасных сигналов в этих цепях зависят от конструкции конкретного типа средства и их значения имеют значительный разброс. Например, опасные сигна­лы, создаваемые звонковой цепью телефонного аппарата, могут до­стигать значений долей и единиц мВ.

Рис. 5.4. Схема электромагнитного акустоэлектрического преобразователя

Активными акустоэлектрическими преобразователями яв­ляются также некоторые кристаллические вещества (кварц, сегне-товая соль, титанат и ниобат бария и др.), которые широко при­меняются в радиоаппаратуре для стабилизации частоты и филь­трации сигналов, в качестве акустических излучателей сигналов вызова в современных телефонных аппаратах вместо электроме­ханических звонков. На поверхности этих веществ при механичес­кой деформации их кристаллической решетки (давлении на повер­хность, изгибе, кручении) возникают электрические заряды.

В пассивных акустоэлектрических преобразователях акус­тическая волна изменяет параметры элементов схем средств, в ре­зультате чего изменяются параметры циркулирующих в этих схе­мах электрических сигналов. В большинстве случаях под действи­ем акустической волны изменяются параметры индуктивностей и емкостей электрических цепей. В соответствии с этим акустоэлек-трические преобразователи называются индуктивными и емкост­ными.

Если схема электрической цепи содержит катушку с витками проволоки, то под действием акустической волны изменяются рас­стояние между витками и геометрические размеры самой катушки. В результате этого, как следует из соответствующих формул, изме­няется индуктивность катушки. Если, например, катушка является элементом частотно-задающего контура генератора, то изменение индуктивности вызывает частотную модуляцию сигнала генера­тора. В итоге информация, записанная в параметры акустической волны, переписывается в параметры электрического сигнала, спо­собного перенести ее к злоумышленнику на большое расстояние. Аналогичная картина наблюдается при изменении под действием акустической волны емкости контура генератора.

Если акустоэлектрический преобразователь представляет со­бой реактивное сопротивление, величина которого меняется в со­ответствии с параметрами акустического сигнала, то изменение этого сопротивления вызывает амплитудную модуляцию тока в цепи.

Разновидностью индуктивного является магнитострикционный акустоэлектрический преобразователь. Магнитострикция проявляется в изменении магнитных свойств ферромагнитных ве­ществ (электротехнической стали и ее сплавов) при их деформи­ровании (растяжении, сжатии, изгибании, кручении). Такое явле­ние называется Виллари-эффектом или обратной магнитострикци-ей, открытым итальянским физиком Э. Виллари в 1865 г. Этот эф­фект обусловлен изменением под действием механических напря­жений доменной структуры ферромагнетика. Прямая магнитост-рикция заключается в изменении геометрических размеров и объ­ема ферромагнитного тела при помещении его в магнитное поле. В результате обратной магнитострикции под действием акустичес­кой волны изменяется магнитная проницаемость сердечников кон­туров, дросселей, трансформаторов радио- и электротехнических устройств, что приводит к эквивалентному изменению значений индуктивностей цепи и модуляции протекающих через них высо­кочастотных сигналов.

К наиболее распространенным случайным акустоэлектрическим преобразователям относятся:

•вызывные устройства телефонных аппаратов;

•динамические головки громкоговорителей, электромагнитные капсюли телефонных трубок, электрические двигатели вторич­ных часов системы единого времени и бытовых электроприбо­ров;

•катушки контуров, дросселей, трансформаторов, провода мон­тажных жгутов, пластины (электроды) конденсаторов;

•пьезоэлектрические вещества (кварцы генераторов, виброакустические излучатели акустических генераторов помех);

•ферромагнитные материалы в виде сердечников трансформато­ров и дросселей.

Угроза информации от акустоэлектрического преобразователя зависит, прежде всего, от его чувствительности. Чувствительность акустоэлектрического преобразователя характеризуется отноше­нием величины электрического сигнала на его выходе или измене­ния падающего на нем напряжения к силе звукового давления на поверхность чувствительного элемента преобразователя на часто­те f = 1000 кГц и измеряется в В/Па или мВ/Па. Очевидно, что чем выше чувствительность случайного акустоэлектрического преоб­разователя, тем больше потенциальная угроза от него для безопас­ности акустической информации.

Чувствительность в мВ/Па некоторых акустоэлектрических преобразователей приведена в табл. 5.1 [11].

Опасные сигналы, образованные акустоэлектрическими пре­образователями, могут:

•распространяться по проводам, выходящим за пределы контро­лируемой зоны;

•излучаться в эфир;

•модулировать другие, более мощные электрические сигналы, к которым возможен доступ злоумышленников.

Таблица 5.1

nb и/и	Акустоэлектрический преобразователь	Чувстви­тельность, мВ/Па
	Электродинамический микрофон	4-6
	Электродинамический громкоговоритель	2-3
	Абонентский громкоговоритель	30-45
	Вторичные электрические часы	0,1-0,5
	Электромеханический звонок телефонного аппарата	0,05-0,6
	Пьезоэлектрическое вызывное устройство телефон­ного аппарата	8-11
	Телефонный капсюль	3-5
	Электромагнитное реле	0,04-0,5
	Трансформаторы, дроссели	0,001-0,2

Техническую основу для реализации первой угрозы создают, например, неработающий громкоговоритель городской ретрансля­ционной сети и звонковая цепь телефонных аппаратов устаревших, но широко еще применяемых типов (ТА-68М, ТА-72М, ТАН-70-2, ТАН-76-3, ТА-1146, ТА-1162, ТА-1164 и др.). Головка громкогово­рителя непосредственно подключается к кабелю (двухжильному проводу) при приеме первой программы городской ретрансляци­онной сети через согласующий трансформатор, который повыша­ет амплитуду опасных сигналов до 30-40 мВ. Сигнал такой амп­литуды может распространяться по проводам ретрансляционной сети на значительные расстояния, достаточные для снятия инфор­мации злоумышленником за пределами территории организации. Однако если в радиотрансляционной сети идет передача речи или музыки, то сигналы этой передачи, имеющие существенно боль­шую (в 100-200 раз) амплитуду и совпадающий диапазон частот, подавляют опасные сигналы. Поэтому работающие громкоговори­тели, может быть, и мешают работе людей, но исключают утечку информации из помещений через акустоэлектрические преобразо­ватели в громкоговорителях.

Иная ситуация с акустоэлектрическими преобразователями в телефонных аппаратах. Телефонные линии постоянно подключены к источнику тока напряжением порядка 60 В. Хотя опасные сигна­лы на выходе звонковой сети составляют единицы и доли мВ, их не­трудно отделить с помощью фильтра от значительно более высоко­го напряжения постоянного тока в телефонной линии. Постоянный ток фильтр не пропускает, а опасные сигналы с речевой информа­цией от акустоэлектрических преобразователей с частотами в зву­ковом диапазоне проходят через фильтр с малым ослаблением, а затем усиливаются до необходимого значения.

Опасными сигналами на выходе акустоэлектрических преоб­разователей, имеющими даже весьма малые значения (доли мил­ливольт), нельзя пренебрегать. Во-первых, чувствительность сов­ременных радиоприемников и усилителей электрических сигналов превышает в десятки и сотни раз уровни наиболее распространен­ных опасных сигналов, а, во-вторых, маломощные опасные сиг­налы могут модулировать более мощные электрические сигналы и поля и таким образом увеличивать дальность распространения опасных сигналов. Например, если опасные сигналы попадают в цепи генераторов (гетеродинов) любого радио- или телевизионно­го приемника, то они модулируют гармонические колебания этих генераторов по амплитуде или частоте и распространяются за пре­делы помещения уже в виде электромагнитной волны. Также поля опасных сигналов на выходе акустоэлектрических преобразова­телей, которые сами по себе из-за малой напряженности не несут большой угрозы безопасности информации, могут наводить в це­пях рядом расположенных радиоэлектронных средств электричес­кие сигналы с аналогичным эффектом.