Акустические приемники

Непосредственное (ушами) подслушивание ограничено ма­лым расстоянием от источника звука — в лучшем случае около де­сяти метров. Малая дальность непосредственного подслушивания обусловлена не только малой мощностью акустических сигналов и большим затуханием их в среде распространения, но и тем, что уши человека имеют широкую диаграмму направленности (близ­кую к 180°), в силу чего на барабанную перепонку поступают прак­тически все внешние акустические шумы.

Кроме того, шумы поднимают порог чувствительности слу­ховой системы человека. Но одновременно это физиологическое свойство слуховой системы человека позволяет ему адаптировать­ся к зашумленности среды обитания, например в жилых помеще­ниях возле транспортных магистралей большого города.

Для непосредственного подслушивания в условиях города зло­умышленнику необходимо приблизиться к источнику информации на несколько метров, что существенно ухудшает скрытность добы­вания информации.

Технические средства подслушивания расширяют и дополня­ют возможности слуховой системы человека за счет:

•приема и прослушивания акустических сигналов, распростра­няющихся в воде и твердых телах;

•повышения дальности подслушивания речевой информации по сравнению с непосредственным подслушиванием;

•коррекции спектра акустического сигнала, распространяюще­гося в среде с неравномерной амплитудно-частотной характе­ристикой коэффициента передачи или затухания;

•выделения акустического сигнала из смеси его и шумов;

•прослушивания речи, выделяемой из перехваченных радио- и электрических сигналов функциональных каналов связи и из сигналов побочных излучений и наводок;

•ретрансляции добываемой речевой информации на сколь угод­но большое расстояние.

Конкретный способ подслушивания реализуется с использо­ванием соответствующих технических средств. Совокупность тех­нических средств, обеспечивающих функции добывания семанти­ческой и признаковой акустической информации, представляет со­бой комплекс средств подслушивания. Структурная схема типово­го комплекса приведена на рис. 15.1.

Рис. 15.1. Структурная схема комплекса средств подслушивания

Основной частью комплекса является акустический прием­ник. Он производит селекцию по пространству и частоте акусти­ческих сигналов, распространяющихся в атмосфере, воде, твердых телах, преобразует их в электрические сигналы, усиливает и об­рабатывает электрические сигналы и преобразует их в акустичес­кую волну для обеспечения восприятия информации слуховой сис­темой человека. Акустический приемник содержит акустоэлектрический преобразователь, селективный усилитель и электроакусти­ческий преобразователь (телефон, громкоговоритель).

Акустические приемники для приема акустической вол­ны, распространяющейся в воздухе, воде, твердой среде (в инже­нерных конструкциях), в грунте, отличаются видом акустоэлек­трического преобразователя. Иногда по виду акустоэлектрического преобразователя называют весь акустический приемник. Акустоэлектрический преобразователь акустической волны, рас­пространяющейся в воздухе, называется микрофоном, преобра­зователь волны, распространяющейся в твердой среде, — стетос­копом и акселерометром, в земной поверхности — геофоном, а в воде— гидрофоном. Основную долю функциональных акустоэлектрических преобразователей акустических приемников со­ставляют микрофоны.

Так как электрические сигналы на выходе акустоэлектрических преобразователей крайне малы и могут принимать значения единиц мкВ, то для их усиления до необходимых для последую­щего применения величин (единиц В) используется селективный усилитель. Его селективность обеспечивается регулируемой поло­сой пропускания, необходимой для устранения помех на частотах вне спектра акустического сигнала. Учитывая, что затухание сре­ды распространения акустического сигнала увеличивается с повы­шением его частоты, коэффициент усиления селективного усили­теля соответственно повышают для более высоких спектральных составляющих принимаемого сигнала. Такая компенсация эквива­лентна повышению уровня акустического сигнала в точке приема до 6 дБ.

Электрический сигнал преобразуют в акустический сигнал, воспринимаемый человеком, громкоговорители и телефоны. По способу преобразования электрических сигналов громкоговорите­ли разделяются на электродинамические, электромагнитные, элек­тростатические, пьезоэлектрические и др., по виду излучения — на громкоговорители непосредственного излучения, диффузорные и рупорные, по воспроизводимому диапазону частот — на широко­полосные, низкочастотные, средне- и высокочастотные. Значения мощности громкоговорителей образуют стандартный ряд в диапа­зоне 0,1-50 Вт.

Чем уже диапазон частот динамической головки громкогово­рителя, тем равномернее ее амплитудно-частотная характеристи­ка, тем меньше головка искажает сигнал. Для высококачественной электроакустической аппаратуры к выходу усилителя подключают несколько динамических головок с разными диапазонами частот, перекрывающими весь звуковой диапазон (16-20000 Гц). Для вос­производства речи средствами добывания требования к электро­динамическим головкам более чем скромные: единицы Вт по мощ­ности и по диапазону частот, соответствующему стандартному те­лефонному каналу (300-3400 Гц).

Для консервации акустической информации электрический сигнал с выхода акустического приемника подается на аудиомагнитофон. Для записи акустических сигналов применяют много­канальные стационарные ленточные магнитофоны, портативные лентопротяжные кассетные магнитофоны и специальные носимые лентопротяжные и цифровые диктофоны.

Сигнальные демаскирующие признаки определяются с помо­щью средств технического анализа. Если акустический сигнал на выходе приемника сильно зашумлен, то его электрический ана­лог подвергают для снижения уровня шума дополнительной обра­ботке. Основу методов очистки электрического сигнала от шума составляют методы адаптивной фильтрации. Суть адаптивной фильтрации состоит в том, что на основе анализа поступающего на вход фильтра зашумленного речевого сигнала непрерывно филь­тром линейного предсказания «предсказывается» помеховый сиг­нал, который вычитается затем из смеси речевого сигнала и шума. В результате этого отношение сигнал/шум на выходе фильтра уве­личивается.

Возможности акустического приемника характеризуются на­бором показателей:

•диапазоном частот принимаемого акустического сигнала;

•чувствительностью;

•динамическим диапазоном;

•масса-габаритными характеристиками.

Так как речь является основным видом информации при под­слушивании, то большинство акустических приемников для добы­вания информации работают в речевом диапазоне частот. В отде­льных случаях ценной является информация, переносимая акус­тической волной в инфразвуковом и ультразвуковом диапазонах. К такой информации относятся звуки движущихся объектов (лю­дей, техники, подводных и надводных кораблей и др.), акустичес­кие сигналы взрывов новых боеприпасов, разрабатываемых рабо­тающих двигателей и других объектов разведки.

Дальность подслушивания (длина простого акустического ка­нала утечки информации) зависит от ряда факторов, в том числе от чувствительности акустического приемника. Под его чувстви­тельностью понимается минимальная энергия акустической вол­ны или оказываемоеею минимальное давление, при котором обеспечивается определенный уровень электрического или акустичес­кого сигналов на выходе акустического приемника.

Динамический диапазон акустического приемника характе­ризуется диапазоном в дБ мощности акустического сигнала на его входе (громкости звука), при котором обеспечивается требуемый или допустимый уровень сигнала на выходе акустического прием­ника. Учитывая, что акустический приемник при добывании ин­формации размещается скрытно, далеко не в оптимальных услови­ях, его динамический диапазон является важнейшей характерис­тикой акустического приемника. Например, если динамический диапазон закладного подслушивающего устройства мал, то при­емлемое качество добываемой речевой информации обеспечивает­ся лишь в небольшом интервале расстояний от микрофона говоря­щего человека. Когда разговаривающий человек ходит по комнате, то добываемая информация может содержать участки с плохим ка­чеством речи.

Так как акустические каналы утечки информации имеют ма­лую протяженность и акустический приемник необходимо прибли­зить к источнику акустического сигнала, то большинство акусти­ческих приемников относятся к классу носимой аппаратуры с ав­тономными источниками питания. Поэтому важное значение для практического применения акустического приемника имеют его вес и габариты, а также длительность непрерывной работы.

Для запоминания (записи) добываемой информации сигнал с выхода передается по организуемому каналу связи к запоминаю­щему устройству или записывается в запоминающем устройстве, размещенном в месте нахождения акустического приемника. В последнем варианте к запоминающему устройству предъявляются такие же жесткие требования, как к акустическому приемнику.

Для записи речевой информации широко применяются специ­альные диктофоны, конструктивно объединяющие акустический приемник и запоминающее устройство (лентопротяжный и цифро­вой магнитофоны). Основными характеристиками запоминающих устройств являются объем памяти в МБайтах, время записи рече­вой информации в минутах или часах, время непрерывной рабо­ты в часах.

Средства технического анализа измеряют технические ха­рактеристики (сигнальные признаки) акустических сигналов, ко­торые могут использоваться для обнаружения и распознавания их источников: частоту колебаний, характеристики спектра, ампли­туду и мощность сигнала и др. Каждый объект с движущимися ме­ханическими частями имеет индивидуальную сигнальную призна­ковую структуру, по которой с достаточно высокой вероятностью можно обнаружить объект и распознать его отдельные свойства. Средства анализа акустических сигналов устанавливаются, напри­мер, на подводных лодках для обнаружения и распознавания типов (вплоть до номера) надводных и подводных кораблей.

Микрофон как основной и наиболее широко применяемый элемент акустического приемника можно представить в виде пос­ледовательного ряда функциональных звеньев. В первом акусти­ческом звене в результате взаимодействия конструкции микрофо­на и звукового поля формируется механическая сила, зависящая от громкости звука, частоты звукового сигнала, размеров и формы корпуса микрофона и его акустических входов, расстояния меж­ду ними и угла падения звуковой волны относительно оси микро­фона. Первое звено определяет характеристику направленности микрофона и по существу представляет собой акустическую ан­тенну.

Второе звено обеспечивает преобразование механической силы акустической волны в колебания подвижной части микрофо­на — мембраны. Его свойства определяются расположением, вели­чиной и частотной зависимостью входящих в него акустомеханических элементов. Это звено определяет амплитудно-частотную характеристику (АЧХ) микрофона.

Третье звено представляет собой электромеханический пре­образователь колебаний мембраны в электрический сигнал и оп­ределяет чувствительность микрофона. Четвертое электрическое звено выполняет функцию согласования преобразователя с после­дующей электрической цепью и характеризуется внутренним или выходным сопротивлением микрофона как источника сигнала.

При подключении микрофона к входным цепям усилителя (на­грузке) с комплексным сопротивлением Z_n напряжение на нем рав­но U_n = E_MZ_n / (Z_M + Z_n), где Е_м и z_m - - выходные напряжения и со­противление микрофона (рис. 15.2).

Рис. 15.2. Эквивалентная электрическая схема микрофона

Напряжение на нагрузке максимально, т. е. U_n —> Е_м, при Z_м «Z_n. Следовательно, для повышения напряжения на нагрузке

необходимо выполнить условие Z _n » Z_M.

Микрофоны классифицируются по различным признакам, указанными на рис. 15.3.

Рис. 15.3. Классификация микрофонов

Угольный (порошковый) микрофон, впервые созданный в •1879 г. русским инженерном М. Михальским, представляет собой круглую коробочку с гранулированным древесным углем, закрываемую тонкой металлической упругой крышкой — мембраной. К электроду, укрепленному на дне коробочки, и мембране подводится постоянное напряжение, под действием которого в массе угольного порошка протекает электрический ток. Принцип работы угольного микрофона основан на изменении под действием акустической волны сопротивления угольного порошка, находящегося между мембраной и неподвижным электродами. Акустическая волна приводит мембрану микрофона в колебательное движение вследствие чего изменяется степень сжатия угольного порошка и площадь соприкосновения его гранул друг с другом. В результа­те этого сопротивление порошка и сила протекающего через него тока меняются в соответствии с громкостью звука, т. е. произво­дится амплитудная модуляция электрического тока. Номинальное сопротивление угольного микрофона зависит от зернистости и тех­нологии обработки порошка и других факторов. Это сопротивле­ние может составлять у низкоомных микрофонов 35-65 Ом, среднеомных— 65-145 Ом и высокоомных— 145-300 Ом. Угольные микрофоны имеют низкую стоимость, высокую чувствительность, обеспечивают возможность без дополнительного усиления переда­чу электрических сигналов на большие (десятки км) расстояния. Это обстоятельство обуславливает широкое применение угольных микрофонов в проводной телефонной связи. Однако они узкопо­лосные и для передачи более широкополосных, чем речь, акусти­ческих сигналов не применяются.

Конструкция электродинамического микрофона, изобретен­ного американскими учеными Э. Венте и А Терас в 1931 г., ана­логична конструкции электродинамического громкоговорителя. В нем катушка из тонкой проволоки жестко связана с мембраной из полистирольной пленки или алюминиевой фольги и постоянно на­ходится в воздушном зазоре постоянного магнита. При колебаниях катушки в ней возникает ЭДС, значение которой пропорционально громкости звука. Динамические микрофоны относительно просты, надежны в работе в широком диапазоне температур и влажности, устойчивы к сотрясениям и широко применяются в различной зву­коусилительной и звукозаписывающей аппаратуре.

В электромагнитном микрофоне в результате колебаний мембраны из ферромагнитного материала в обмотке неподвижной катушки с сердечником, по которой протекает постоянный ток, возникает ЭДС индукции, величина которой эквивалентна интен­сивности звука.

Конденсаторный микрофон, изобретенный американским ученым Э. Венте в 1917 г., представляет собой капсюль, состоящий из двух параллельно расположенных пластин — электродов, один из которых массивный, другой — тонкая мембрана. Электроды об­разуют конденсатор, емкость которого зависит от площади плас­тин и расстояния между ними. К электродам подводится через ре­зистор поляризующее постоянное напряжение. При воздействии на мембрану звуковых волн изменяются расстояния между электро­дами и, соответственно, емкость конденсатора. В результате этого через резистор протекает ток, амплитуда которого пропорциональ­на звуковому давлению на мембрану. При расстоянии между обкладками 20-40 мкм и поляризующем напряжении в несколько десятков 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 после заряда возникает разность потенциалов 45-130 В. Электретные микрофоны не нуждаются во внешнем источнике и широко приме­ряются в звукозаписывающей аппаратуре, в том числе для негласного подслушивания.

Действие пьезоэлектрического микрофона основано на возникновении ЭДС на поверхности пластинок из пьезоматериала, механически связанных с мембраной. Колебания мембраны под давлением акустической волны передаются пьезоэлектрической пластине, на поверхности которой возникают заряды, величина которых соответствует уровню громкости акустического сигнала.

По направленности микрофоны разделяются на ненаправ­ленные, односторонней, двухсторонней и острой направленности. Направленность микрофона определяется по уровню сигнала на его выходе в зависимости от поворота микрофона по отно­шению к источнику акустической волны в горизонтальной и вертикальной плоскостях. Ширина диаграммы направленности микрофона оценивается в градусах на уровне 0,5 (0,7) от максимальой мощности (амплитуды) электрического сигнала на его выходе. Чем меньше ширина диаграммы направленности микрофона, тем меньше помех попадает на его мембрану из направлений, отличающихся от направления на источник акустического сигнала с информацией. Ширина диаграммы направленности микрофонов острой направленности составляет несколько десятков градусов. Пространственное ограничение помех повышает отношение сиг­нал/помеха на мембране микрофона.

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

По диапазону частот микрофоны разделяются на узкополос­ные и широкополосные. Узкополосные микрофоны предназна­чены для передачи речи. Широкополосные микрофоны имеют бо­лее широкую полосу частот и преобразуют колебания в звуковом и частично ультразвуковом диапазонах частот.

По способу применения микрофоны разделяются на воз­душные, гидроакустические (гидрофоны) и контактные. Кон­тактные микрофоны предназначены для приема структурного зву­ка. Например, контактный стетоскопный микрофон UM 012, при­крепленный к стене помещения, позволяет прослушивать разго­воры в соседнем помещении при толщине стен до 50 и более см. Модификацией контактных микрофонов являются ларингофоны и остеофоны, воспринимающие и преобразующие в электричес­кие сигналы механические колебания (вибрации) связок и хрящей гортани или кости черепа говорящего. Они встраиваются в шлемы летчиков и танкистов для обеспечения связи в условиях повышен­ного акустического шума среды.

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

Возможности микрофонов определяются следующими харак­теристиками:

•чувствительностью на частоте акустической волны 1000 Гц;

•диаграммой направленности;

•диапазоном воспроизводимых частот колебаний акустической волны;

•неравномерностью частотной характеристики;

•масса-габаритными характеристиками.

Чувствительность — один из основных показателей микрофо­на и оценивается коэффициентом преобразования давления акус­тической волны в уровень электрического сигнала. Так как чувс­твительность микрофона для разных частот акустических колеба­ний различная, то она определяется на частоте 1000 Гц. Измерения проводятся для акустической волны, направление распростране­ния которой перпендикулярно поверхности мембраны, в вольтах или милливольтах на паскаль (В/Па, мВ/Па). Чувствительность микрофона зависит в основном от параметров физических процес­сов в акустоэлектрических преобразователях и площади мембра­ны микрофона.

Чувствительность микрофона повышается с увеличением пло­щади мембраны приблизительно в квадратичной зависимости. Например, чувствительность конденсаторного микрофона с диа­метром мембраны 6 мм составляет 1,5-4 мВ/Па, для диаметра 12 мм - 12,5 мВ/Па, а при диаметре 25 мм она увеличивается до 50 мВ/Па.

Электрические сигналы на выходе микрофонов, используемых для добывания информации, в селективном усилителе обрабаты­ваются 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 при­ведены в табл. 15.1 [3].

Таблица 15.1

Примечание. Чувствительность микрофона приведена в вольтах при пло­щади 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 чувствитель­ностью 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 сово­купности показателей высокие характеристики имеют электроди­намические и конденсаторные микрофоны. Электродинамические микрофоны широко используются для звукоусиления речи и му­зыки. Конденсаторные микрофоны в силу минимальной неравно­мерности их амплитудно-частотной характеристики применяют в метрологии для измерения акустических сигналов, а малые разме­ры электретных микрофонов способствуют их широкому примене­нию в электронной носимой технике.

Увеличение дальности подслушивания акустической инфор­мации без повышения мощности ее источника, например громкос­ти речи человека, достигается за счет повышения отношения сиг­нал/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 вход­ных каскадов акустического приемника. Слуховая система молодо­го человека как акустический приемник может принимать акусти­ческую информацию очень малой мощности, но вследствие очень широкой диаграммы направленности ушей (почти 180°) на бара­банную перепонку приходят шумы со всех направлений. С воз­растом чувствительность слуховой системы человека ухудшается.

Млекопитающие, для которых звуки несут важную для жизни ин­формацию, имеют уши с более узкой диаграммой направленнос­тью и способностью изменять ее ориентацию в пространстве.

Микрофоны для дистанционного подслушивания имеют акус­тическую антенну, сужающую его диаграмму направленности. Эти микрофоны называются остронаправленными микрофона­ми. Характер увеличения относительной дальности r_m/rо острона­правленного микрофона от его коэффициента направленного дейс­твия G_M иллюстрируется зависимостью на рис. 15.4 [И].

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

Величины r_m и rо на рисунке обозначают дальность подслуши­вания микрофоном и ушами человека соответственно. В качестве микрофона рассматривается гипотетический микрофон с чувстви­тельностью, равной пороговой чувствительности слуховой систе­мы человека.

Различают следующие типы остронаправленных микрофо­нов:

*параболические;

*трубчатые;

*плоские;

*градиентные.

Параболический остронаправленный микрофон содержит отражатель звука параболической формы из оптически прозрачного или непрозрачного материала диаметром 20-50 см, в фоку­се которого размещается мембрана микрофона. Звуковые волны с осевого направления отражателя суммируются в фокусе парабо­лического отражателя — на мембране микрофона. Акустические сигналы, распространявшиеся с иных направлений, фокусируют­ся вне мембраны, тем дальше от нее, чем больше угол их прихо­да по отношению к оси отражателя. Коэффициент направленно­го действия параболического микрофона можно оценить по фор­муле: G_n = 4pd²/ А,², где d — диаметр отражателя, X — длина вол­ны звука. Например, для d = 30 см и звука на f = 1000 Гц (К = 34 см) G_n ~ 24 дБ. Для сравнения, среднее значение G₀ ушей человека оце­нивается величиной всего в 6 дБ.

Трубчатый (интерференционный, «бегущей волны») остро­направленный микрофон состоит из одной трубки длиной 0,2-1 м и толщиной 10—30 мм или набора трубок, длины которых про­порциональны длинам волн спектральных составляющих акусти­ческого сигнала. В торце трубок укрепляется мембрана микрофо­на. Принцип действия однотрубчатого микрофона иллюстрирует­ся на рис. 15.5.

Трубка-звуковод имеет щелевые отверстия, размещенные ря­дами 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 в фазе, так как проходят приблизительно одинаковый путь. Фазы акустических волн с иных направлений имеют на мембране микро­фона различные фазы, вплоть до противоположной. В результате этого диаграмма направленности трубчатого микрофона сужается. Коэффициент направленного действия такого микрофона длиной L при условии, что L >λ, оценивается формулой g_пл = 4L / λ, Для L = 1 м и f = 1000 Гц g _т и 12 дБ.

Плоский микрофон представляет собой фазированную акус­тическую решетку, в узлах которой размещаются микрофоны и сиг­налы которых суммируются на входе усилителя. Конструктивно он представляет плоскую поверхность с вмонтированными в нее микрофонными капсулями, образующими обычно матрицу 3х3. Когда поверхность решетки перпендикулярна направлению на ис­точник звука, то фазы электрических сигналов совпадают и сум­марный сигнал максимален. При отклонении угла прихода акус­тических волн от нормального к поверхности мембран микро­фонов между сигналами от разных микрофонов возникает раз­ность фаз из-за различий длин путей от источника к разным мик­рофонам. Уровень суммарного сигнала снижается, что приводит к уменьшению ширины диаграммы направленности микрофона. Коэффициент направленного действия такого микрофона опреде­ляется по формуле: g _пл = 4πS / λ², где S — площадь поверхности, занимаемой микрофонами. Поверхность плоского направленного микрофона встраивается в стенку атташе-кейса или в жилет, носи­мый под рубашкой и пиджаком. Например, направленный микро­фон с акустической решеткой, размещенный на внутренней повер­хности верхней крышки кейса, имеет ширину диаграммы направ­ленности около 35°. Принятая речевая информация может быть за­писана на диктофон в кейсе или ретранслироваться с помощью пе­редатчика на достаточно большое расстояние.

В градиентных микрофонах в отличие от плоского микрофо­на, в котором производится сложение акустических сигналов с эле­ментов приемной фазированной решетки, сигналы соседних эле­ментов вычитаются. В результате этого диаграмма направленнос­ти имеет вид cos Q, где Q — угол прихода акустической волны от­носительно 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) завышают­ся. Из кривой на рис. 15.4 следует, что реальная дальность подслу­шивания речевой информации на улице города при коэффициенте 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 громкос­ти источника звука, его коэффициента направленного действия, но и уровня акустических помех. С учетом имеющихся противоречи­вых данных предполагается, что максимальная дальность подслу­шивания разговора с помощью остронаправленных микрофонов может достигать 50-100 м.

Для снятия информации с акустической волны, распространя­ющейся в твердой среде, применяется акселерометр. Он преобра­зует структурный звук в электрический сигнал, величина которого пропорциональна амплитуде смещения частиц твердого вещества, скорости или ускорения его частиц при распространении струк­турного звука. В широко распространенных пьезоэлектрических акселерометрах одна или две пластины из пьезоэлемента размеща­ются между основанием, прикрепляемым к вибрирующей поверх­ности, и массивной накладкой (рис. 15.6).

Рис. 15.6. Конструкция акселерометра

Колебания твердой среды через основание акселерометра пе­редаются на контактирующую с ним нижнюю поверхность пьез элемента. Другая (верхняя) поверхность пьезоэлемента прилегает к массивной прокладке, которая из-за ее инерционности практически остается неподвижной. В силу этого пьезоэлемент подвергается давлению, пропорциональному разности ускорений сил, действующих на обе его поверхности. В результате этого на обкладках пьезоэлемента возникают электрические сигналы, соответствующие структурному звуку.

Для преобразования структурного звука в воздушную акус­тическую волну, передаваемую по звукопроводам в уши челове­ка, применяется технический стетоскоп. Он отличается от меди­цинского, применяемого для прослушивания акустических сиг­налов в теле человека, конструкцией мембраны, поверхность ко­торой согласуется с поверхностью вибрирующей твердой среды. Стетоскоп представляет собой один или два гибких звукопровода в виде резиновых или из других синтетических материалов тру­бок, соединенных с контактной площадкой и передающих звуко­вое 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 окру­жающем пространстве. Для прослушивания структурных звуков микрофон стетоскопа прижимают или приклеивают к поверхнос­ти 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 ин­формации с сейсмической волны в грунте на удалении до 10 м от ее источника.

Наряду с традиционными техническими средствами подслу­шивания с небольшой дальностью все шире применяются устройс­тва, образующие составные каналы утечки: акусто-радиоэлектронные и акусто-оптические. Такими устройствами являются заклад­ные и лазерные средства подслушивания.

Диктофоны

Для скрытого подслушивания речевой информации и ее регис­трации широко применяются диктофоны с встроенными и выне­сенными микрофонами. Скрытая запись информации производится с целью:

- «документирования» беседы или телефонного разговора для экономии времени при составлении отчета или для последую­щего анализа разговора;

- регистрации трудно запоминаемой во время разговора инфор­мации;

- использования записи для оказания влияния на собеседника или предоставления ее в качестве доказательства каких-либо
его обещаний и высказываний, сбора материалов о конкурен­тах, 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 кинематичес­кие (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 ин­формативностью и возможностью скрытного управления режима­ми работы. Это достигается:

•уменьшением в результате прецизионного изготовления меха­нических узлов акустических шумов лентопротяжного меха­низма;

•минимизацией побочных электромагнитных излучений за счет исключения из электрической схемы генераторов подмагничивания 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.

Автономное электропитание большинства диктофонов обеспе­чивается 1-2 элементами химического источника тока типа АА и ААА, вес их с батарейками составляет десятки и сотни г (Olimpus L400, например 90 г), а габариты диктофонов позволяют их разме­щать во внутреннем кармане пиджака.

Металлические корпуса диктофона и дополнительного кожу­ха-экрана существенно ослабляют электромагнитное излучение коллекторного двигателя, но не исключают его обнаружение на не­большом удалении в десятки см.

В цифровых диктофонах лентопротяжный механизм отсутс­твует, а запись речевой информации производится в цифровой фор­ме на полупроводниковых запоминающих устройствах. Отсутствие в цифровых диктофонах лентопротяжного механизма исключает акустические шумы, но в качестве его демаскирующего признака проявляются высокочастотные излучения, создаваемые импульса­ми тактовой частоты аналого-цифрового преобразователя и полу­проводниковой памяти.

Закладные устройства

С целью существенного повышения дальности подслушивания широко применяются закладные устройства (закладки, радиомик­рофоны, «жучки», «клопы»). Эти устройства перед подслушива­нием скрытно размещаются в помещении злоумышленниками или привлеченными к этому сотрудниками организации, проникаю­щими под различными предлогами в помещение. Такими предло­гами могут быть посещения руководства или специалистов посто­ронними лицами с различными предложениями, участие в совеща­ниях, уборка, ремонт помещения и технических средств и т. д.

Закладные устройства в силу большого разнообразия конс­трукций и оперативного применения создают серьезные угрозы безопасности речевой и иной защищаемой информации в местах с

ограниченным доступом.

В общем случае закладное устройство представляет собой рет­ранслятор, на вход которого поступает первичный сигнал, несущий информацию, а на выходе — сигнал, согласованный с характерис­тиками среды, в котором он будет распространяться. Разнообразие закладных устройств порождает многообразие вариантов их клас­сификаций. Вариант классификации указан на рис. 15.7.

Рис. 15.7. Классификации закладных устройств По виду носителя информации, распространяющейся от за­кладных устройств, их можно разделить на проводные и излуча­ющие закладные устройства. Носителем информации от провод­ных закладок является электрический ток, который распростра­няется по электрическим проводам, а излучающие закладные уст­ройства передают информацию с помощью радио- и ИК-сигналов. В зависимости от вида первичного сигнала проводные и излу­чающие закладные устройства делят на акустические и аппарат­ные. Акустические закладные устройства содержат микрофон, пре­образующий акустические сигналы в электрические. Аппаратные закладки устанавливаются в телефонных аппаратах, ПЭВМ и дру­гих радиоэлектронных средствах. Входными сигналами для них являются электрические сигналы, несущие речевую информацию (в телефонных аппаратах), или информационные последователь­ности, циркулирующие в ПЭВМ при обработке конфиденциальной информации. В таких закладках отсутствует микрофон, что упро­щает их конструкцию, и имеется возможность использовать для электропитания энергию средства, в котором установлена заклад­ка. Информацию аппаратные закладки могут передавать по прово­дам — проводные аппаратные или с помощью радиосигналов излучающие аппаратные. Широко применяются проводные теле фонные закладные устройства, ретранслирующие по радиосигна­лу речевую информацию в телефонных линиях.

Проводные акустические закладки представляют собой:

•субминиатюрные микрофоны, скрытно установленные в быто­вых радио- и электроприборах, в предметах мебели и интерьера и соединенные тонким проводом с микрофонным усилителем или диктофоном, размещаемыми в других помещениях;

•миниатюрные устройства, содержащие микрофон, усилитель и формирователь сигнала, передаваемого, как правило, по теле­фонным линиям и цепям электропитания.

Проводные акустические закладки имеют высокую чувстви­тельность и помехоустойчивость, но наличие дополнительного провода демаскирует закладки и усложняет их установку, в осо­бенности в условиях дефицита времени. Поэтому такие закладки могут устанавливаться во время ремонта или в помещениях с воз­можностью достаточно простого и длительного доступа в них лю­дей, например в номера гостиниц.

Закладки, использующие санкционированно проложенные провода (цепи электропитания и информационные линии), лише­ны этого недостатка. Поэтому они все шире применяются для пе­редачи в пределах здания информации в места нахождения зло­умышленника или его средства для записи или ретрансляции сиг­нала по радиоканалу. Эти закладные устройства устанавливают­ся в местах подключения проводов электропитания к выключате­лям и сетевым розеткам, в телефонных аппаратах или их розетках, а также внутри иных радиосредств.

Излучающие закладные устройства лишены недостатков про­водных, но у них проявляется другой информативный демаскиру­ющий признак — излучения в радио- и оптическом диапазонах.

Наиболее широко применяются акустические радиозакладки, позволяющие сравнительно просто и скрытно устанавливать их в различных местах помещения. Простейшая акустическая радио­закладка содержит (см. рис. 15.8) следующие основные устройства: микрофон, микрофонный усилитель, генератор несущей частоты, модулятор, усилитель мощности, антенну и источник электропи­тания.

Рис. 15.8. Схема акустической закладки

Микрофон преобразует акустический сигнал с информацией в электрический, который усиливается до уровня входа модулятора. В модуляторе производится модуляция колебания несущей часто­ты усиленным сигналом с микрофона, т. е. информация переписы­вается с низкочастотного носителя на высокочастотный носитель. Для обеспечения необходимой мощности излучения модулирован­ный -сигнал усиливается в усилителе мощности. Электрическая схема современных закладных устройств все чаще дополняется ус­тройствами, обеспечивающими тактическое закрытие передавае­мой информации.

Излучение радиосигнала в виде электромагнитной волны осу­ществляется антенной, как правило, в виде отрезка провода. Для телефонных излучающих закладных устройств в качестве антен­ны используются провода телефонных линий. Так как антенны в виде кусков провода (диполей) или проводов линий плохо согла­суются длинами волн генерируемых передатчиком колебаний, то лишь небольшая часть мощности электрических сигналов излуча­ется в эфир.

В целях сокращения веса, габаритов и энергопотребления в ра­диозакладке указанные функции технически реализуются мини­мально возможным количеством активных и пассивных элемен­тов. Простейшие закладки содержат всего один транзистор.

Установка закладных устройств возможна с заходом злоумыш­ленника в помещение, где производится их размещение, или без за­хода. Первый вариант позволяет более рационально разместить за­кладку как с точки зрения энергетики, так и скрытности, но связан с повышенным риском для злоумышленника. Поэтому в случаях, когда создаются предпосылки для дистанционной (беззаходовой) установки закладки, их забрасывают в помещение или ими выстреливают из пневматического ружья или лука. Например, комплект PS фирмы Sipe Electronic состоит из специального бесшумного пневматического пистолета с прицельным расстоянием 25 м и paдиозакладкой, укрепленной на стреле. Стрела после выстрела на­дежно прикрепляется с помощью присоски к поверхностям из ме­талла, дерева, пластмассы, бетона и других гладких строительных и облицовочных материалов. Микрофон обеспечивает съем рече­вой информации с расстояния до 10 м, а передатчик — ее передачу на расстояние до 100 м.

По диапазону частот закладные устройства отличаются боль­шим разнообразием. На ранних этапах использования закладных устройств частоты излучений их привязывали к частотам бытовых радиоприемников в УKB-диапазоне. При массовом появлении у населения бытовых радиоприемников увеличилась опасность слу­чайного перехвата сигналов радиозакладок посторонними лицами. Поэтому большинство типов современных закладок имеют более высокие частоты в УВЧ-диапазоне.

Для более 96% радиозакладок рабочие частоты сосредоточены в интервале 88-501 МГц, причем большая часть (52%) из них име­ет частоты 373-475 МГц, около 42%— 92-169 МГц [4]. Наиболее интенсивно используется диапазон частот 450-475 МГц, в котором сосредоточены рабочие частоты 36% имеющихся на рынке радио­закладных устройств.

Продолжается тенденция дальнейшего повышения частот, в том числе с переходом в ГГц-диапазон. С увеличением частоты пе­редатчика уменьшается уровень помех, что позволяет снизить мощ­ность передатчика и, соответственно, его габариты, а также дли­ну антенны. Кроме того, железобетонные стены помещений сов­ременных зданий экранируют излучаемое закладным электромаг­нитное поле тем больше, чем больше длина волны по отношению к линейным размерам ячейки железной арматуры стены. Поэтому с повышением частоты передатчика закладного устройства (умень­шением длины волны) экранирующий эффект арматуры железобе­тонной стены понижается, хотя затухание поля в бетоне несколь­ко увеличивается.

В интересах повышения скрытности для излучающих заклад­ных устройств осваивается ИК-диапазон. Однако в силу большего по сравнению с радиоволнами затухания ИК-лучей в среде распространения и необходимостью обеспечения прямой видимости меж­ду излучателем ИК-закладки и фотоприемником злоумышленника применение подобных закладных устройств ограничено.

Кроме диапазона частот на условия передачи закладкой информации влияет стабильность частоты ее передатчика. Для простых схемных решений передатчика закладки значения его частоты из­меняются в значительных пределах в зависимости от температуры и питающего напряжения. Величина дрейфа рабочей частоты ра­диозакладок может достигать единиц МГц. В результате этого ра­диоприемник, настроенный на частоту радиозакладки, через неко­торое время «теряет» радиосигнал. Это обстоятельство имеет важ­ное значение для обеспечения автоматического приема сигналов радиозакладок, например, в случае, когда подслушивание произ­водится аппаратурой в автомобиле при отсутствии в нем операто­ра. Частоты около половины предлагаемых на рынке радиозакла­док стабилизируются.

Повышение стабильности частоты излучения обеспечивается путем применения в колебательном контуре генератора элементов со слабой температурной зависимостью, температурной компенса­ции, стабилизации питающих напряжений, включения в колеба­тельный контур элементов, стабилизирующих его частоту.

Различают «мягкую» и «жесткую» стабилизацию. В заклад­ных устройствах «мягкая» стабилизация со стабильностью часто­ты 10 ~³-10~⁴ достигается схемотехническими решениями (стабили­зацией напряжения, температурной компенсацией и др.). Для боль­шей стабильности частоты передатчика («жесткой», со стабиль­ностью 10~⁵-10~⁶) в качестве стабилизирующих элементов исполь­зуются пластины кристалла кварца. При установке кварца парал­лельно контуру генератора в нем возникают стабильные механи­ческие колебания, частота которых зависит от вида среза кристал­ла кварца, толщины и размеров его пластины. Резонансные элект­рические колебания в контуре существуют при равенстве частот колебаний кварца и контура. Стабилизация частоты излучения ра­диозакладки усложняет ее схему и увеличивает габариты передат­чика, но существенно улучшает удобство работы.

Другой проблемой, возникающей при применении закладных устройств, является обеспечение их энергией в течение времени подслушивания. Возможности современной микроэлектроники по созданию миниатюрных закладных устройств ограничиваются, в основном, масса-габаритными характеристиками автономных ис­точников питания (химических элементов). Микрогабаритные ис­точники тока, широко применяемые в электронных часах, обеспе­чивают работу закладных устройств в течение короткого време­ни (десятков часов при минимально-допустимой мощности излу­чений для дальности до сотни метров). Для закладных устройств используются гальванические элементы (батареи и аккумуляторы) с высокой удельной емкостью. Усредненные характеристики таких элементов приведены в табл. 15.2.

Таблица 15.2

Тип элемента	Напряже­ние, В	Удельная емкость, Втч/кг	Саморазряд, % в месяц
Никель-кадмиевый (Ni-Cad)	1,25	40-80
Никель-гидридный (Ni-MH)	1,25	60-120
Литий-ионный (Li-Ion)	3,6	110-160	до 10
Литий-полимерный (Li-Pol)	3,6	100-130	до 10

Емкость гальванического элемента пропорциональна его га­баритам и весу. Наиболее широко распространены цилиндричес­кие гальванические элементы размером АА и ААА с диаметром 10,5 и 8,2 мм, высотой 44,5 и 40,2 мм соответственно. Кнопочные (в виде таблетки) гальванические элементы имеют диаметр 7,86-16 мм и высоту 3,56-16,8 мм. Плоские элементы имеют габариты: длина 14,2-31 мм, высота 14-21,4 мм. В крупногабаритных заклад­ных устройствах применяют ядерные источники электропитания с временем работы в десятки лет, но нуждающиеся в толстых и тяже­лых экранах для защиты от радиоактивного излучения.

Радикально проблема электропитания закладных устройств и, соответственно, продолжительности их работы решается подклю­чением закладных устройств к внешним источникам электропита­ния — к сети и цепям РЭС и других приборов, в которые устанав­ливаются закладные устройства. Широко применяются подобные закладные устройства в телефонных аппаратах, закамуфлирован­ные под их элементы (конденсаторы, телефонные капсюли и др.), в тройниках для подключения нескольких приборов к одной розетке электросети. По оценке, приведенной в [4], в 75% закладных ус­тройств используется автономное (батарейное) питание, 8% — пи­тание от сети и 17% — питание от телефонной линии. Кроме того, энергия может подводиться извне путем облучения закладных ус­тройств внешним электромагнитным полем. Возможность их не­прерывной работы до момента обнаружения и изъятия объясняет все более широкое их распространение.

Увеличение времени эксплуатации и повышение скрытности работы закладного устройства достигаются также путем автома­тического подключения к автономному источнику питания наибо­лее энергоемкого узла радиозакладки — передатчика только в пе­риод передачи речевой информации. Такая возможность реализу­ется в двух вариантах. В первом варианте в закладке устанавлива­ется специальное устройство — акустический автомат (акустоавтомат), подключающее к источнику питания передатчик при при­еме закладкой акустического сигнала.

В тишине, в ночное время во включенном состоянии (в «де­журном» режиме) находится лишь микрофонный усилитель с ис­полнительным электронным реле. При появлении в помещении акустических сигналов от разговаривающих людей реле по сигна­лу от микрофонного усилителя подключает передатчик и заклад­ное устройство излучает радиосигналы с информацией. После пре­кращения разговора исходное состояние реле восстанавливается и излучение прекращается.

Во втором варианте дистанционно управляемые закладные ус­тройства включаются на излучение по внешнему радиосигналу, по­даваемому злоумышленником. Эти закладные устройства обеспе­чивают повышенную скрытность и более длительное время рабо­ты. Однако для их эффективного применения надо иметь дополни­тельный канал утечки сведений о времени циркулирования конфи­денциальной информации в помещении, где установлено заклад­ное устройство. Например, надо достаточно точно знать время, ког­да будут вестись в помещении конфиденциальные разговоры. Так как дистанционно управляемые закладки содержат устройство для приема управляющих радиосигналов, то они наиболее сложные и, следовательно, дорогие.

С целью дополнительного повышения скрытности работы за­кладных устройств все шире применяют преобразования сигна­лов, затрудняющих их обнаружение. По этому признаку заклад­ные устройства делят на незакрытые и с техническим закрыти­ем.

Жесткие требования к габаритам, массе, энергопотреблению

закладных устройств ограничивают мощность излучения их пе­редатчиков. Наиболее часто (более 80%) применяются радиомик­рофоны, мощность излучения которых находится в интервале 3-11 мВт, закладки с более высокой мощностью — до 22 мВт состав­ляют менее 10%. Встречаются закладки и большей мощности из­лучения (до 200 мВт и более), однако их доля крайне незначитель­на. Малая мощность излучения передатчиков радиозакладок оп­ределяет относительно небольшую дальность приема их сигна­лов. Около 75% образцов обеспечивает функционирование канала на расстояниях 50-350 м, 16% — на расстояниях 460-600 м, 7% — на расстояниях 740-800 м и только около 2% — на расстоянии до 1000 и более метров. Указанные пропорции со временем меняются, но их характер сохраняется.

В общем случае технические данные закладных устройств на­ходятся в следующих пределах:

•частотный диапазон — 27-900 МГц;

•мощность — 0,2-500 мВт;

•дальность — 10-1500 м;

•время непрерывной работы — от нескольких часов до несколь­ких лет;

•габариты — 1-8 дм³;

•вес — 5-350 г.

Основная проблема оперативного применения закладных ус­тройств заключается в рациональном размещении их в помеще­нии или в радиоэлектронном средстве. Рациональность достигает­ся при обеспечении:

• поступления на вход закладки сигнала с характеристиками, не­обходимыми для качественной передачи звуковой или иной ин­формации;

• скрытности размещения и работы закладки, по крайней мере, в течение времени подслушивания интересующей злоумышлен­ника информации.

Эффективность выполнения этих условий зависит от уда­ленности места установки закладки от источников звука и нали­чия между ними звукопоглощающих и звукоизолирующих эк­ранов, от чувствительности микрофона, размеров и парамет­ров акустики, прежде всего, от времени реверберации помеще­ния и времени, которым располагает злоумышленник для установ­ки. Чувствительность современных малогабаритных микрофонов обеспечивает достаточно качественный прием акустических сиг­налов на удалении до 10-15 м при отсутствии экранов на пути рас­пространения акустической волны. На качество речи, ретрансли­руемой закладным устройством, влияют:

—соотношение сигнал/шум на входе микрофонного усилителя за­кладного устройства;

—время реверберации помещения, в котором установлено закладное устройство.

При малом времени реверберации на микрофон закладки пос­тупает прямая акустическая волна, ослабленная расстоянием и эк­ранами, маскирующими закладку. При большом времени уровень сигнала на мембране увеличивается за счет энергии переотражен­ных волн, но вследствие сложения на мембране волн, соответству­ющих разным звукам, ухудшается разборчивость ретранслируе­мой речи. Эти факторы влияют на качество восприятия такой речи человеком, но в меньшей степени, чем при ретрансляции ее заклад­ными устройствами.

Несмотря на сравнительно малые размеры и вес закладных ус­тройств, они могут быть обнаружены при тщательном визуальном осмотре помещения. С целью продления времени их оперативно­го использования, а также приближения микрофонов к источнику звука закладные устройства камуфлируют под предметы, не вызы­вающие подозрение у окружающих людей. Трудно назвать пред­меты личного пользования, средства оргтехники, средства быто­вой радиоэлектроники, в которые не устанавливались бы различ­ные устройства для подслушивания. Некоторые из таких средств подслушивания приведены в табл. 15.3.