Разработка лабораторного стенда «Измерение опасных акустических сигналов»

Содержание Введение

1. Общая часть

1.1 Источники акустических сигналов

1.2 Принцип распространения звуковых волн в помещении и звукоизоляция

1.3 Каналы утечки акустической информации

1.3.1 Акустические каналы утечки информации

1.3.2 Виброакустические каналы утечки информации

1.3.3 Акустоэлектрические каналы утечки информации

1.3.4 Оптико-электронный канал утечки информации

1.3.5 Параметрический канал утечки акустической информации

1.4 Классификация способов перехвата акустической информации

1.5 Средства перехвата акустической информации

1.6 Средства измерения акустических сигналов

1.7 Измерение акустических сигналов и вибраций

1.7.1 Теоретическое введение

2. Специальная часть

2.1 Нормативные документы

2.1.1 ГОСТ Р 53 188.1−2008

2.1.2 ГОСТ 31 249–2004

2.1.3 ГОСТ 12 090;80

2.2 Требования по защите акустической информации

2.3 Выбор оборудования

2.3.1 Назначение изделия АТЕ-9051 и технические характеристики

2.3.2 Комплектность АТЕ-9051

2.3.3 Описание органов управления АТЕ-9051

2.3.4 Порядок проведения измерений с помощью шумомера

2.3.5 Настройка шумомера

2.4 Описание проведения измерений

2.5 Проведение измерений

2.6 Принимаемые меры

2.6.1 Использование генераторов зашумления

3. Техника безопасности

4. Содержание экономической части дипломного проекта по оценке экономической эффективности разработки (конструкции изделия) акустический сигнал информация шумомер Введение Для человека слух является вторым по информативности после зрения. Поэтому одним из довольно распространенных каналов утечки информации является акустический канал. В акустическом канале переносчиком информации выступает звук, лежащий в полосе ультра (более 20 000 Гц), слышимого и инфразвукового диапазонов. Диапазон звуковых частот, слышимых человеком, лежит в пределах от 16 до 20 000 Гц, и содержащихся в человеческой речи — от 100 до 6000 Гц. Когда в воздухе распространяется акустическая волна, частицы воздуха приобретают колебательные движения, передавая колебательную энергию друг другу. Если на пути звука нет препятствия, он распространяется равномерно во все стороны. Если же на пути звуковой волны возникают какие-либо препятствия в виде перегородок, стен, окон, дверей, потолков и т. п., звуковые волны оказывают на них соответствующее давление, приводя их также в колебательный режим. Эти воздействия звуковых волн и являются одной из основных причин образования акустического канала утечки информации. Различают определенные особенности распространения звуковых волн в зависимости от среды. Это прямое распространение звука в воздушном пространстве, распространение звука в жестких средах (структурный звук). Кроме того, воздействие звукового давления на элементы конструкции зданий и помещений вызывает их вибрацию. В свободном воздушном пространстве акустические каналы образуются в помещениях при ведении переговоров в случае открытых дверей, окон, форточек. Кроме того, такие каналы образуются системой воздушной вентиляции помещений. В этом случае образование каналов существенно зависит от геометрических размеров и формы воздуховодов, акустических характеристик фасонных элементов задвижек, воздухораспределителей и подобных элементов. Под структурным звуком понимают механические колебания в твердых средах. Механические колебания стен, перекрытий или трубопроводов, возникающие в одном месте, передаются на значительные расстояния почти не затухая. Опасность такого канала утечки состоит в неконтролируемой дальности распространения звука. Преобразовательный, а точнее, акусто-преобразовательный канал — это изменение тех или иных сигналов электронных схем под воздействием акустических полей. На практике такое явление принято называть микрофонным эффектом.

Опасными для утечки информации по акустическим каналам могут являются помещения и коммуникации:

— кабинет руководителя;

— кабинет секретаря;

— комната переговоров;

— комнаты специалистов;

— коридор;

— смежные с кабинетами помещения;

— трубы отопления, проходящая рядом с кабинетом;

— воздуховоды вентиляции.

В качестве критерия защищенности речевой информации используется отношение сигнал/шум, при котором качество подслушиваемой речевой информации ниже допустимого уровня. В соответствии с существующими нормами понимание речи невозможно, если отношение помеха / сигнал равно 6−8, а акустический сигнал не воспринимается человеком как речевой, если отношение помеха / сигнал превышает 8−10. Следовательно, для гарантированной защищенности речевой информации отношение сигнал/шум должно быть не более 0,1 или -10 дБ. Поэтому, важным этапом предотвращения утечки информации по акустическому каналу, является проведение измерений акустических сигналов. В результате проведения измерений можно выявить и устранить уязвимости помещений и коммуникаций, что может быть достигнуто следующими мерами по предотвращения утечки информации:

— установка двойной двери с тамбуром, в котором размещена звуковая колонка, устранение щелей между дверью и дверной коробкой, покрытие двери и тамбура звукопоглощающими материалами, установка на дверь замка с автозащелкой, экранов на стены, перед батареями отопления — акселерометров и экранов на батареи, зашумления вентиляционного канала;

— использование шумогенератора, линейное и пространственное зашумление;

— использование защиты от прослушивания телефонной линии.

Задачи дипломного проекта выработать методику измерений акустических сигналов.

В рамках дипломного проекта будут разработаны схема для проведения измерений и лабораторная работа, которая будет применяться в лаборатории информационной безопасности, технической защиты информации, программно-аппаратных средств обеспечения информационной безопасности.

1. Общая часть

1.1 Источники акустических сигналов В случае, когда источником информации является голосовой аппарат человека, информация называется речевой. Речевой сигнал является сложным акустическим сигналом, основная энергия которого сосредоточена в диапазоне частот от 300 Гц до 4000 Гц.

Голосовой аппарат человека является первичным источником акустических колебаний, которые представляют собой возмущения воздушной среды в виде волн сжатия и растяжения (продольных волн). Под действием акустических колебаний в ограждающих строительных конструкциях и инженерных коммуникациях помещения, в котором находится речевой источник, возникают вибрационные колебания. Таким образом, в своем первоначальном состоянии речевой сигнал в помещении присутствует в виде акустических и вибрационных колебаний.

Носители информации в виде полей и электрического тока называются сигналами. Если информация, содержащаяся в сигналах, секретная или конфиденциальная, а сигналы могут быть приняты (перехвачены, подслушаны) злоумышленником и с них, может быть «снята» эта информация, то такие сигналы представляют опасность для информации и называются опасными.

Опасные сигналы могут быть функциональными и случайными. Функциональные сигналы создаются для выполнения радиосредством заданных функций по обработке, передаче и хранении информации. При передаче закрытой информации функциональными сигналами ее отправитель осознает потенциальные угрозы безопасности содержащейся в сигналах информации.

1.2 Принцип распространения звуковых волн в помещении и звукоизоляция С физической точки зрения звук — это распространение каким-либо источником механических колебаний в упругой среде (воздухе, металле, дереве и т. п.). В процессе колебаний источник создает пониженное (повышенное) давление, которое распределяется во все стороны. Образующаяся при этом звуковая волна попадает в ухо человека и заставляет колебаться барабанную перепонку, перемещение которой воспринимается мозгом как звук.

Скорость распространения звука зависит от плотности среды и может изменяться в довольно широких пределах. Встречая на своем пути препятствие, звуковая волна может отражаться и преломляться (рисунок 1).

Рисунок 1 — Распространение звуковых волн в помещении Время запаздывания прихода отраженной волны относительно волны, идущей прямо, называется реверберацией. При прохождении через отверстие (окно, дверь и т. п.) наблюдается явление дифракции звуковой волны (рисунок 2).

Рисунок 2 — Дифракция звуковой волны Встречая на своем пути пористый материал, звуковая волна может поглощаться. Энергия звуковой волны, попадающей на пористую поверхность, частично отражается, а частично рассеивается. И чем больше пор в материале, тем больше рассеивание энергии звуковой волны внутри них. Материалы, рассеивающие внутри себя большую часть энергии, называются поглощающими.

Звук в помещение попадает через двери, окна, стены и потолки. Он проходит через трещины и различные технологические отверстия в ограждающих конструкциях здания. Наиболее распространенные места возможного проникновения звука в жилые помещения дома показаны на рисунке (рисунок 3).

Рисунок 3 — Проходимость акустических волн в коммуникациях помещения

1.3 Каналы утечки акустической информации В зависимости от среды распространения речевых сигналов и способов их перехвата ТКУИ можно разделить на акустические, вибрационные, акустоэлектрические, оптоэлектронные и параметрические.

1.3.1 Акустические каналы утечки информации

В акустических каналах утечки информации средой распространения речевых сигналов является воздух (рисунок 4), и для их перехвата используются высокочувствительные микрофоны и специальные направленные микрофоны. Микрофоны соединяются с портативными звукозаписывающими устройствами или специальными миниатюрными передатчиками.

Автономные устройства, конструктивно объединяющие микрофоны и передатчики, называют закладными устройствами (ЗУ) перехвата речевой информации.

Перехваченная ЗУ речевая информация может передаваться по радиоканалу, сети электропитания, оптическому (ИК) каналу, соединительным линиям ВТСС, посторонним проводникам, инженерным коммуникациям в ультразвуковом (УЗ) диапазоне частот, телефонной линии с вызовом от внешнего телефонного абонента.

Прием информации, передаваемой ЗУ, осуществляется, как правило, на специальные приемные устройства, работающие в соответствующем диапазоне длин волн. Однако существуют исключения из этого правила. Так, в случае передачи информации по телефонной линии с вызовом от внешнего абонента прием можно осуществлять с обычного телефонного аппарата.

Использование портативных диктофонов и ЗУ требует проникновения в контролируемое помещение.

Рисунок 4 — Акустический канал утечки информации

1.3.2 Виброакустические каналы утечки информации

В виброакустических каналах утечки информации (рисунок 5) средой распространения речевых сигналов являются ограждающие строительные конструкции помещений (стены, потолки, полы) и инженерные коммуникации (трубы водоснабжения, отопления, вентиляции и т. п.). Для перехвата речевых сигналов в этом случае используются вибродатчики (акселерометры).

Вибродатчик, соединенный с электронным усилителем называют электронным стетоскопом. Электронный стетоскоп позволяет осуществлять прослушивание речи с помощью головных телефонов и ее запись на диктофон.

По виброакустическому каналу также возможен перехват информации с использованием «стетоскопных» ЗУ. В них, как правило, для передачи информации используется радиоканал, поэтому такие устройства часто называют радиостетоскопами. Реально, также возможно использование ЗУ с передачей информации по оптическому каналу инфракрасном диапазоне волн, а также по ультразвуковому каналу (по инженерным коммуникациям).

Рисунок 5 — Виброакустические каналы утечки информации

1.3.3 Акустоэлектрические каналы утечки информации

Акустоэлектрические каналы утечки информации (рисунок 6) возникают за счет преобразований акустических сигналов в электрические.

Некоторые элементы ВТСС, в том числе трансформаторы, катушки индуктивности, электромагниты вторичных электрочасов, звонков телефонных аппаратов и т. п., обладают свойством изменять свои параметры (емкость, индуктивность, сопротивление) под действием акустического поля, создаваемого источником речевого сигнала. Изменение параметров приводит либо к появлению на данных элементах электродвижущей силы (ЭДС), либо к модуляции токов, протекающих по этим элементам, в соответствии с изменениями воздействующего акустического поля.

ВТСС, кроме указанных элементов, могут содержать непосредственно акустоэлектрические преобразователи (АЭП). К таким ВТСС относятся некоторые типы датчиков охранной и пожарной сигнализации, громкоговорители ретрансляционной сети и т. д. Эффект АЭП называют «микрофонным эффектом». Причем из ВТСС, обладающих «микрофонным эффектом», наибольшую чувствительность к акустическому полю имеют абонентские громкоговорители и некоторые датчики пожарной сигнализации.

Перехват акустоэлектрических колебаний в данном канале утечки информации осуществляется путем непосредственного подключения к соединительным линиям ВТСС специальных высокочувствительных низкочастотных усилителей. Например, подключая такие средства к соединительным линиям телефонных аппаратов с электромеханическими вызывными звонками, можно прослушивать разговоры, ведущиеся в помещениях, где установлены эти аппараты.

ТКУИ с использованием «высокочастотного навязывания» может быть осуществлен путем несанкционированного контактного введения (облучения) токами высокой частоты от генератора на нелинейные или параметрические элементами ВТСС, на которых происходит модуляция высокочастотного сигнала информационным. Информационный сигнал в данных элементах ВТСС появляется вследствие акустоэлектрического преобразования акустических сигналов в электрические. Промодулированный сигнал отражается от указанных элементов и распространяется в обратном направлении по линии или излучается.

Наиболее часто такой канал используется для перехвата разговоров, ведущихся в помещении, через телефонный аппарат, имеющий выход за пределы КЗ.

Рисунок 6 — Акустоэлектрические каналы утечки информации

1.3.4 Оптико-электронный канал утечки информации

Оптико-электронный (лазерный) канал утечки акустической информации (рисунок 7) образуется при облучении лазерным лучом вибрирующих под действием акустического речевого сигнала отражающих поверхностей помещений (оконных стекол, зеркал и т. д.). Отраженное лазерное излучение модулируется по амплитуде и фазе и принимается приемником оптического (лазерного) излучения, при демодуляции которого выделяется речевая информация.

Для организации такого канала предпочтительным является использование зеркального отражения лазерного луча. Однако, при небольших расстояниях до отражающих поверхностей (порядка нескольких десятков метров) может быть использовано диффузное отражение лазерного излучения.

Для перехвата речевой информации по данному каналу используются сложные лазерные системы, которые в литературе часто называют «лазерными микрофонами». Работают они, как правило, в ближнем инфракрасном диапазоне длин волн.

Рисунок 7 — Оптико-электронный (лазерный) канал утечки акустической информации

1.3.5 Параметрический канал утечки акустической информации Параметрические каналы утечки информации (Рисунок 8). В результате воздействия акустического поля меняется давление на все элементы высокочастотных генераторов ТСПИ и ВТСС. При этом изменяется взаимное расположение элементов схем, проводов в катушках индуктивности, дросселей и т. п., что может привести к изменениям параметров высокочастотного сигнала, например, к модуляции его информационным сигналом. Поэтому этот канал утечки информации называется параметрическим. Наиболее часто наблюдается паразитная модуляция информационным сигналом излучений гетеродинов радиоприемных и телевизионных устройств, находящихся в помещениях, где ведутся конфиденциальные разговоры.

Параметрический канал утечки информации может быть реализован и путем ВЧ облучения помещения, где установлены ЗУ, имеющие элементы, параметры которых (например, добротность и резонансная частота объемного резонатора) изменяются под действием акустического (речевого) сигнала.

При облучении помещения мощным ВЧ сигналом, в таком ЗУ при взаимодействии облучающего электромагнитного поля со специальными элементами закладки (например, четвертьволновым вибратором) происходит образование вторичных радиоволн, т. е. переизлучение электромагнитного поля. А специальное устройство закладки (например, объемный резонатор) обеспечивает амплитудную, фазовую или частотную модуляцию переотраженного сигнала по закону изменения речевого сигнала.

Для реализации такого канала необходимы специальный передатчик с направленным излучением и приемник.

Рисунок 8 — Параметрический канал утечки акустической информации

1.4 Классификация способов перехвата акустической информации Способы перехвата акустической (речевой) информации из выделенных помещений представлены на рисунке 9.

Рисунок 9 — Структурная схема способов перехвата акустической (речевой) информации

1.5 Средства перехвата акустической информации

В прямых акустических (воздушных) технических каналах утечки информации (рисунок 10) средой распространения акустических сигналов является воздух. В качестве датчиков средств разведки используются высокочувствительные микрофоны, преобразующие акустический сигнал в электрический.

Рисунок 10 — Распространения акустических сигналов В аппаратуре акустической разведки используются микрофоны различных типов с чувствительностью 30 — 60 мВ/Па, обеспечивающие регистрацию речи средней громкости на удалении до 7 — 10 м от её источника. При этом частотный диапазон составляет в основном от 50−100 Гц до 5 — 20 кГц.

Перехват акустической (речевой) информации из выделенных помещений по данному каналу может осуществляться:

— с использованием портативных устройств звукозаписи (диктофонов), скрытно уста-новленных в выделенном помещении;

— с использованием электронных устройств перехвата информации (закладных устройств) с датчиками микрофонного типа (преобразователями акустических сигналов, распространяющихся в воздушной среде), скрытно установленных в выделенном помещении, с передачей информации по радиоканалу, оптическому каналу, электросети 220 В, телефонной линии, соединительным линиям ВТСС и специально проложенным кабелям;

— с использованием направленных микрофонов, размещённых в близлежащих строениях и транспортных средствах, находящихся за границей контролируемой зоны;

— без применения технических средств (из-за недостаточной звукоизоляции ограждающих конструкций выделенных помещений и их инженерно-технических систем) посторонними лицами (посетителями, техническим персоналом) при их нахождении в коридорах и смежных помещениях (непреднамеренное прослушивание).

Использование тех или иных средств акустической разведки определяется возможностью доступа в контролируемое помещение посторонних лиц. Если посторонние лица не имеют постоянного доступа в выделенное помещение, но имеется возможность его регулярного кратковременного посещения под различными предлогами (например, для проверки системы освещения, кондиционирования или уборки помещения), то для перехвата речевой информации могут использоваться портативные устройства звукозаписи (в основном цифровые диктофоны), которые скрытно устанавливаются в интерьерах помещений, как правило, непосредственно перед проведением закрытого мероприятия (рисунок 11). После окончания мероприятия диктофон из помещения изымается. Такие устройства также могут камуфлироваться под предметы повседневного обихода, например, книги, письменные приборы, пачки сигарет и т. д.

Рисунок 11 — Перехват речевой информации с помощью диктофона

В настоящее время зарубежными и отечественными фирмами выпускается огромное количество портативных цифровых диктофонов, которые очень легко спрятать практически в любом помещении. Цифровые диктофоны могут быть встроены в авторучку, наручные часы и т. п.

Недостатком способа перехвата речевой информации с использованием портативных диктофонов является необходимость повторного проникновения в выделенное помещение с целью изъятия диктофона для прослушивания записанных разговоров. Такого недостатка лишены электронные устройства перехвата информации (закладные устройства).

Под закладными устройствами обычно понимают портативные устройства съёма информации, скрытно внедряемые (закладываемые) в выделенные помещения, в том числе в ограждающие конструкции, оборудование, предметы интерьера, а также в технические средства и системы обработки информации, вспомогательные технические средства и системы.

Перехватываемая акустическими закладками информация может передаваться на приёмные пункты по радиои оптическому каналам, специально проложенным линиям, электросети переменного тока, телефонным линиям и т. д.

В том случае, если имеется постоянный неконтролируемый доступ в выделенное помещение, в нём заранее могут быть установлены миниатюрные микрофоны, соединительные линии которых выводятся в специальные помещения, где устанавливается регистрирующая или передающая аппаратура. Причём длина соединительного кабеля может достигать 10 км. Такие системы перехвата акустической информации часто называют проводными микрофонными системами (рисунок 12).

Рисунок 12 — Проводные микрофонные системы перехвата акустической информации

1.6 Средства измерения акустических сигналов Измеритель шума (шумомер) — это прибор для измерения уровня звука. Существуют стандарты, устанавливающие требования к данным приборам. Российские и европейские стандарты существенно отличаются.

Измерители уровня шума состоят из микрофона, усилителя, вольтметра, интегратора, корректирующих фильтров, детектора и индикатора.

Шумомер представляет собой микрофон, к которому подключен вольтметр, отградуированный в децибелах. Поскольку электрический сигнал на выходе с микрофона пропорционален исходному звуковому сигналу, прирост уровня звукового давления, воздействующего на мембрану микрофона вызывает соответствующий прирост напряжения электрического тока на входе в вольтметр, что и отображается посредством индикаторного устройства, отградуированного в децибелах.

Применяемые в технологической практике цифровые шумомерыклассифицируются по четырем классам. Каждый класс измерительных приборов ориентирован на проведение измерений в определенном диапазоне частот. Третий класс шумомеров предназначен для ориентировочных и сравнительных измерений. Второй класс аппаратов необходим для технических измерений. Приборы первого класса используются в лабораторных работах и натурных измерениях. На шумомерах нулевого класса проводятся базовые и эталонные измерения.

Категории ориентированы на следующие частоты:

— 31,5Гц — 8 кГц — класс 3;

— 20Гц — 8 кГц — класс 2;

— 20Гц — 18кГц — класс 0, 1;

Производственные и бытовые шумы сегодня тоже классифицируются. Различают прерывистый и колеблющийся шум, импульсивный шум, постоянный шум. Соответственно этим свойствам работают и шумомеры, измеряя время колебаний и интенсивность шума. Показатели быстрого, медленного или импульсивного колебания обозначаются латинскими символами F, S, I. Современные приборы для измерения шумовых колебаний оснащены шкалой, на которой нанесены деления измерения шума в децибелах. Также в устройствах использованы три фильтра различных уровней громкости шума. Высокий, низкий и средний уровень помечаются в обозначении фильтров литерами С, В, А.

Современный высокоточный шумомер представляет собой конструкцию, объединяющую шумовой фильтр, фильтр коррекции, аудиомикрофон, усилитель звуковых колебаний, устройство индикации звуковых колебаний. Устройство сконструировано с учетом особенностей анатомии человеческого слухового аппарата и слуховое восприятие. Измерения громкости, которые проводятся цифровым шумомером, адекватны и точны. В общественном транспорте, жилых строениях, учреждениях общественного назначения, на производственных объектах использование этого прибора вошло в повседневную практику в целях эксперимента и анализа, а также контроля. Сделанные прибором этого вида измерения имеют весомую силу в приемной документации при актировании проверок и сдач готовых объектов.

Такие испытания, экспертизы и проверки необходимы на производственных предприятиях, выпускающих бытовую аппаратуру, на промышленных объектах с мощной машинной базой. Поскольку превышенный уровень шумовых колебаний относится к факторам загрязнения окружающей среды и к вредным воздействиям на здоровье человека, проверки такого характера проводятся активно. И в качестве измерительного прибора, осуществляющего адекватный технический контроль, используется цифровой шумомер.

1.7 Измерение акустических сигналов и вибраций Одним из основных направлений обеспечения информационной безопасности является инженерно-техническая защита информации, которая объективно приобретает все больший вес.

Такая тенденция обусловлена развитием методов и средств добывания информации, позволяющих несанкционированно получать большой объем информации на безопасном расстоянии от ее источников, огромными достижениями микроэлектроники, но выпуску доступных средств нелегального добывания информации. а также достаточно высокими темпами информатизации предприятий и в целом всего общества.

Очевидно, что эффективная защита информации с учетом этих тенденций возможна при более широком использовании технических средств зашиты, что предполагает наличие профессиональных знаний и специальных навыков работы с контрольно-измерительной аппаратурой.

В настоящий лабораторный практикум включены методики оценки защищенности конфиденциальной информации от утечки по техническим каналам: акустическому, виброакустическому, акустоэлектрических преобразований во вспомогательных технических средствах и системах (ВТСС), побочных электромагнитных излучений и наводок от основных технических средств и систем на ВТСС и их коммуникации.

Лабораторный практикум предназначен для выработки у студентов навыков работы со специальной техникой в рамках курса инженерно-технической защиты информации.

1.7.1 Теоретическое введение Акустические (виброакустические) каналы утечки информации В акустическом (виброакустическом) канале утечки носителем информации от источника к несанкционированному получателю является акустическая волна в атмосфере, воде и твердой среде.

Структура акустического капала утечки информации представлена на рисунке 13.

Спектр речевого сигнала (речи говорящего человека) изменяется в процессе произнесения различных и звуков и зависит от положения языка и зубов. При этом одни гармонические составляющие усиливаются, другие подавляются. Области спектра звука. в которых сосредоточивается основная мощность акустического сигнала, называются формантами. Форманты звуков речи расположены в области частот от 150−200 до 8600 Гц. Основная энергия подавляющей части формант сосредоточена в диапазоне частот 300−3000 Гц, что позволило ограничить спектр речевого сигнала, передаваемого по стандартному телефонному каналу, этой полосой.

Рисунок 13 — Структура акустического канала утечки информации Психологическая (с учетом чувствительности уха на разных частотах) интенсивность акустических сигналов изменяется в широких пределах 0−130 дБ (от порога слышимости до болевого порога). Для человека как основного источника соотношение между уровнем громкости и его качественной оценкой характеризуется следующими данными: очень тихая речь (шепот) — 5−10 дБ. тихая речь — 30−40 дБ, речь умеренной громкости — 50−60 дБ, громкая речь — 60−70 дБ и более.

Кроме громкости, речь человека характеризуется тоновым диапазоном (диапазоном частот), тембром и вибрато.

Среднестатистический голос человека включает тоны в диапазоне 64−1300 Гц. Крайне низкие тоны басовых голосов имеют частоту около 40 Гц, высокие тоны детских голосов — около 4000 Гц.

Тембр голоса человека определяется количеством н величиной гармоник (обертонов) его спектра.

Вибрато представляет собой периодическое изменение высоты и силы голоса с частотой примерно 5−7 пульсаций в секунду. При отсутствии вибрато голос кажется безжизненным и невыразительным.

Значения характеристик голоса конкретного человека индивидуальные и позволяют его идентифицировать.

Акустические сигналы машин и технических средств возникают в результате колебаний их поверхностей и частиц воздуха. проходящего через различные отверстия и полости машин и средств.

В общем случае диапазон частот акустических сигналов составляет:

— менее 16 Гц (в инфразвуновом диапазоне) — вибрации машин;

— 16 Гц-20 к1 ц (звуковой диапазон) — речь, звуки машин;

— более 20 кГц (ультразвуковой диапазон) — звуки отдельных живых существ и механических средств.

Источники сигналов характеризуются диапазоном частот, мощностью излучения в Вт, интенсивностью излучения в Вт/м2 мощностью акустической волны, прошедшей через перпендикулярную поверхность 1 м², громкостью звука в дБ, измеряемой как десятичный логарифм отношения интенсивности звука к порогу слышимости. Интенсивность излучения является физической характеристикой акустического сигнала, а громкость — физиологической, учитывающей разную чувствительность слуховой системы человека к акустическим волнам разной частоты.

Физические явления, возникающие при распространении акустических волн, изучаются физической акустикой. В воздушной среде акустический сигнал распространяется в виде продольной упругой волны, которая представляет собой колебание частиц воздуха вдоль направления распространения волны. Продольные колебания воздуха приводят к изменению давления относительно атмосферного в области распространения волны. Звуковое давление, соответствующее порогу слышимости уха, составляет 10−10 от нормального атмосферного, болевому порогу порядка 10−4 от атмосферною давления. Перевод уровней речевого сигнала из размерности Д (дБ) в размерность Д (Па) производится по формуле

(1)

В твердых телах наряду с продольными волнами возникают поперечные (перпендикулярные направлению распространения волны) колебания, которые не создают давления в продольном направлении.

Акустические волны как носители информации характеризуются следующими показателями и свойствами:

— энергией (мощностью);

— скоростью распространения носителя в определенной среде;

— величиной (коэффициентом) затухания или поглощения;

— условиями распространения акустической волны (коэффициентом отражения от границ различных сред, дифракцией).

Теоретически скорость звука определяется формулой Лапласа и зависит от модуля всесторонней упругости (когда сжатие производится без притока и отдачи тепла) и плотности вещества среды распространения.

Для газов модуль всесторонней упругости равен их давлению. При сжатии газа увеличение давления сопровождается пропорциональным увеличением его плотности. Поэтому скорость звука в газе не зависит от его плотности, а пропорциональна корню квадратному из температуры газа, значению универсальной газовой постоянной, отношению величин теплоемкостей газа при постоянном объеме и давлении.

Скорость звука в морской воде зависит от ее температуры, солености и давления на рассматриваемой глубине, а в твердых телах определяется, в основном, плотностью и упругостью веществ.

Значения скорости распространения звука в некоторых типичных средах приведены в таблице 1.

Таблица 1 — Среда распространения и скорость звука

Разброс значений скорости обусловлен отличиями свойств среды распространения.

Среда распространения носителя информация от источника к приемнику может быть однородной и неоднородной, образованной последовательными участками различных физических сред: воздуха, древесины дверей, стекол окон, бетона или кирпича стен, различными породами земной поверхности и т. д. Но и в однородной среде ее параметры не постоянные, могут существенно различаться в разных точках пространства.

При распространении звуковых колебаний движение частиц среды вызывает давление во фронте волны. Фронтом звуковой волны называется поверхность, соединяющая точки поля с одинаковой фазой колебания. По мере распространения в любой среде звуковые волны затухают. Затухание акустической волны в воздухе вызвано:

— расхождением акустической волны в пространстве;

— рассеянием акустической волны на неоднородностях воздушной среды (каплях дождя, снежинках, пыли, ветках деревьев и др.);

— турбулентностью воздушных потоков, вызванной неравномерным распределением в пространстве температуры, давления, силы и скорости ветра, которые искривляют акустическую волну и вызывают частичное ее отражение от границы раздела слоев воздуха с различными плотностями.

Затухание звука в среде распространения пропорционально квадрату частоты колебаний. Интенсивность сферической акустической волны в результате расхождения убывает обратно пропорционально расстоянию от источника. При распространении акустической волны ее траектория изменяется в результате отражении и дифракции. На границе сред с разной плотностью акустическая волна частично переходит из одной среды в другую, частично отражается.

В соответствии с приближенной формулой Рэлея (когда акустическое сопротивление материала преграды существенно выше акустического сопротивления воздуха) коэффициент проникновения акустической волны в материал преграды X равен

(2)

где Ув и Уn — скорость распространения акустической волны в воздухе и материале преграды;

Рв и Рn — удельная плотность воздуха и материала преграды.

Произведения VвPв и VnPn называются акустическим сопротивлением воздуха и материала преграды.

Чем больше отличаются акустические сопротивления сред, тем больше коэффициент отражения акустической волны от границы их раздела. При падении звука из воздуха гга воду, бетон, дерево в эти среды проникает не более сотых долей мощности звука. В помещении акустическая волна многократно отражается от ограждений, в результате чего в нем возникает сложное акустическое поле в виде совокупности волн, приходящих от источника и отраженных. Акустические сигналы при прохождении через вентиляционные воздухопроводы ослабевают из-за поглощения в стенах короба и изгибах. Однако за счет многократных переотражеиий акустической волны от стенок воздуховода ее энергия не рассеивается в пространстве. Вследствие этого дальность распространения волны в воздуховоде можег быть существенно больше, чем в свободном пространстве. Затухание в прямых металлических воздуховодах составляет 0,15 дБ/м, в неметаллических — 0,2−0,3 дБ/м. При изгибах затухание достигает 3−7 дБ (на один изгиб), при изменениях сечения — 1−3 дБ. Ослабление сигнала на выходе из воздуховода помещения может составить 10−16 дБ.

Энергетическое скрытие акустических сигналов является одним из основных методов противодействия подслушиванию и включает:

— звукоизоляцию акустических сигналов;

— звукопоглощение акустической волны;

— зашумление помещения или твердой среды распространения другими звуками (шумами, помехами), обеспечивающими маскировку акустических сигналов.

Таким образом, энергетическое скрытие акустических сигналов обеспечивается путем применения способов и средств, уменьшающих энергию носителя на входе акустического приемника злоумышленника или увеличивающих энергию помех.

Простейшим способом является уменьшение громкости речи во время разговора на конфиденциальные темы. Однако это возможно, если количество собеседников мало, а уровень шумов невелик. Громкость акустического сигнала уменьшают путем звукоизоляции, звукопоглощения и глушения звука.

Звукоизоляции обеспечивает локализацию акустических сигналов в замкнутом пространстве внутри контролируемых зон. Основное требование к ней — за пределами этой зоны соотношение сигнал/помеха не должно превышать максимально допустимые значения, исключающие добывание информации злоумышленниками. Звукоизоляция достигается за счет отражения и поглощения акустической волны.

Глушение звука достигается путем интенсивного поглощения энергии акустической волны при распространении ее в специальной конструкции, называемой глушителем.

Для повышения уровня акустических помех применяют активные средства — генераторы акустических помех.

Метод оценки защищенности помещений от утечки речевой конфиденциальной информации по акустическому каналу заключается в определении коэффициентов звукоизоляции ограждающих конструкций (ОК) в октавных полосах частот со среднегеометрическими частотами 250, 500, 1000, 2000, 4000 Гц и последующим сопоставлением полученных коэффициентов с их нормативными значениями.

Коэффициент звукоизоляции Zj в каждой i-ой октавной полосе определяется как разность между измеренными уровнями тестовою акустическою сигнала Lсi1 перед ОК и за ее пределами Lci2 в выбранных контрольных точках (КТ).

Метод оценки защищенности помещений от утечки речевой конфиденциальной информации по виброакустическому каналу заключается в определении коэффициентов виброизоляции ограждающих конструкций, а также различных элементов инженерно-технических систем (ИТС) в октавных полосах частот со среднегеометрическими частотами 250, 500, 1000, 2000, 4000 Гц и последующим сопоставлением полученных коэффициентов с их нормативными значениями Коэффициент виброизоляции Vi, в каждой i-ой октавной полосе определяется как разность между измеренными уровнями тестовою вибрационного сигнала Uci1 перед ОК и элементами ИТС на их поверхностях и за пределами помещения Uci2 в выбранных контрольных точках.

В качестве тест-сигнала могут быть использованы гармонические (тональные) частоты, соответствующие среднегеометрическим частотам октавных полос, либо шумовой сигнал с нормальным распределением плотности вероятности мгновенных значений в пределах соответствующей октавной полосы.

Октавные уровни излучаемого тест-сигнала в помещении, уровни акустического (вибрационного) сигнала в КТ определяются с использованием измерителя шума и вибраций (шумомера), па вход которого подключается либо приемник звука (микрофон), либо приемник вибраций (акселерометр).

КТ определяются преподавателем дифференцированно для каждой группы студентов, проводящих измерения.

Нормативные значения октавных коэффициентов звукоизоляции (виброизоляции), обеспечивающие защищенность помещений от утечки речевой конфиденциальной информации по акустическому и виброакустическому каналам, приведены в таблице 2.

Таблица 2 — Защищенность утечки речевой информации

2. Специальная часть

2.1 Нормативные документы

2.1.1 ГОСТ Р 53 188.1−2008

Настоящий стандарт устанавливает требования к электроакустическим характеристикам для приборов трех видов, предназначенных для измерения звука:

— обычные шумомеры. которые измеряют уровень звука с экспоненциальной временной коррекцией.

— интегрирующие-усредняющие шумомеры, которые измеряют линейно усредненный по времени уровень звука.

— интегрирующие шумомеры, которые измеряют уровень звукового воздействия.

Отдельный прибор может выполнять любой или все из указанных видов измерений. Дополнительные технические требования приведены для измерений максимального уровня звука с временной коррекцией и пикового корректированного по С уровня звука. Шумомеры. удовлетворяющие требованиям настоящего стандарта, должны иметь частотную характеристику А.

Частотные характеристики шумомеров должны удовлетворять требованиям настоящего стандарта при падении звуковой волны на микрофон с заданного опорного направпения в свободном звуковом поле.

Шумомеры, удовлетворяющие требованиям настоящего стандарта, предназначены для измерения слышимых звуков.

Примечание — Для измерения звука в слышимом диапазоне при наличии ультразвука можно применять частотную характеристику A U.

Настоящий стандарт устанавливает требования к шумомерам 1-го и 2-го класса. Шумомеры 1 -го и 2-го классов имеют одни и те же номинальные значения характеристик и отличаются допустимыми отклонениями этих характеристик и рабочим диапазоном температур. Предельные отклонения характеристик для шумомеров 2-го класса больше или равны предельным отклонениям для шумомеров 1-го класса.

Стандарт распространяется на шумомеры различных конструкций. Шумомер может быть отдельным ручным прибором с присоединенным микрофоном и встроенным устройством отображения. Шумомер может состоять из отдельных частей в одном или более корпусах и отображать заданный набор уровней акустического сигнала. Шумомер может выполнять сложную аналоговую или цифровую обработку сигналов, каждого по отдельности или совместно, со многими аналоговыми или цифровыми выходами. В состав шумомеров могут входить компьютеры общего назначения, устройства регистрации. печатающие и другие устройства, составляющие неотъемлемую часть укомплектованного прибора.

Конструкции шумомеров могут допускать работу под управлением и в присутствии оператора или при автоматическом и непрерывном измерении уровня шума в отсутствие оператора. Требования настоящего стандарта относительно отклика на звуковые волны применимы в случае, если оператор не присутствует в звуковом поле.

2.1.2 ГОСТ 31 249–2004

Акустика. Построение и параметрическое описание линий пространственного распределения звука в рабочих помещениях для оценки их акустических характеристик Настоящий стандарт устанавливает метод построения линий пространственного распределения звука в рабочем помещении и определения двух акустических характеристик рабочего помещения, используемых для управления шумом в нем: эксцесса уровня звукового давления и снижения уровня звукового давления при удвоении расстояния.

Настоящий стандарт не применяют для оценки акустических качеств помещения с точки зрения речевого общения или других физиологических факторов.

В соответствии с пространственное распределение звука в рабочем помещении описывают линией, характеризующей спад уровня звукового давления, создаваемого точечным ненаправленным источником постоянного шума с известным уровнем звуковой мощности, с увеличением расстояния от источника. Настоящий стандарт устанавливает метод построения линии пространственного распределения звука, определения пространственного снижения уровня звукового давления при удвоении расстояния от источника шума и эксцесса уровня звукового давления в исследуемом помещении.

Данные, получаемые по настоящему стандарту, используют для:

— акустической характеристики помещения с точки зрения управления шумом в нем;

— определения подходящих мест установки машин и расположения рабочих мест в помещении;

— оценки необходимости увеличить звукопоглощение в помещении;

— качественной оценки возможных характеристик акустических экранов, предполагаемых к установке в помещении;

— расчета ожидаемых уровней излучения, когда машины с известным излучением работают в заданных местах в помещении;

Если источник шума применяют довольно часто, то рекомендуется контролировать его уровень звуковой мощности каждые три месяца или чаще до тех пор пока не будет получено по меньшей мере шесть положительных результатов контроля, свидетельствующих о стабильности характеристик источника шума. В дальнейшем межконтрольный интервал может быть увеличен.

Примечание — При определении линии пространственного распределения звука может не требоваться знание уровня звуковой мощности источника шума, например, когда акустические характеристики рабочего помещения оценивают только по пространственному снижению уровня звукового давления при удвоении расстояния.

Положение источника шума При определении линии пространственного распределения звука акустический центр источника шума должен быть расположен:

— возможно ближе к полу или

— на высоте более 0.5 м над полом.

Источник шума считают близким к полу, если его акустический центр находится на высоте не более 0,5 м.

Акустический центр источника шума должен быть расположен на расстоянии не менее 3 м от любой из стен и любого звукоотражающего объекта. Если это требование не может быть соблюдено из-за ограниченных размеров помещения, то расстояния должны быть измерены и указаны в протоколе измерений.

Звуковая мощность источника шума должна быть такой, чтобы на всех расстояниях и во всех октавных полосах частот уровень звукового давления при работе источника шума по меньшей мере на 10 дБ превосходил уровень фонового шума.

Уровни звукового давления должны быть измерены шумомером класса 1 по ГОСТ 17 187(ГОСТ Р 53 188.1−2008) или интегрирующим усредняющим шумомером класса 1. Микрофон должен быть ненаправленным (с учетом влияния всех его установочных компонентов). Октавные фильтры должны соответствовать ГОСТ 17 168.

Если сигнал записывается, например, аналоговым или цифровым записывающим устройством, то, насколько возможно, оно должно соответствовать вышеуказанным требованиям.

Измерительная траектория должна быть параллельна полу и начинаться от акустического центра источника шума. Последняя на траектории точка должна быть расположена на расстоянии не менее 1,5 м от любой из стен или крупного звукоотражающего объекта. Рекомендуется использовать возможно большие расстояния.

Предпочтительная высота траектории над полом 1,55 м (соответствует стоящему человеку) и 1,2 м (соответствует сидящему человеку). Допускается траектория, расположенная на любой другой высоте, но с соблюдением требований к параллельности полу и длине. Высота траектории должна быть указана в протоколе измерений.

Вдоль траектории на попу не должно быть препятствий.

Если возможно, то измерения следует проводить при вынесенных из помещения или невключаемых машинах, вентиляционных системах, трубопроводах высокого давления, проложенных через помещение, и т. д., кроме необходимых для работы источника шума.

Источник шума должен соответствовать требованиям и быть установлен при положении акустического центра.

Условия в помещении при измерениях должны соответствовать обычной эксплуатации (обычный монтаж по типам, объему и местоположению оборудования в помещении: двери и окна в состоянии обычного использования помещения).

Проверяют выполнение требований к фоновому шуму. Если необходимо, то выполняют коррекцию на фоновый шум.

При работающем источнике шума измеряют уровни звукового давления в точках на измерительной траектории в шести октавных полосах частот от 125 до 4000 Гц.

Общее время измерений, чтобы не препятствовать производственному процессу в помещении, можно сократить применением записывающих устройств. В этом случае сигнал записывают без использования частотных фильтров, а спектральный анализ выполняют позднее в лаборатории для каждой точки измерений. Должен быть принят во внимание динамический диапазон записывающего устройства. Как правило, рекомендуется применение предусилителя, калиброванного в децибелах.

Если согласно настоящему стандарту требуется несколько местоположений источника шума и если целью исследований является оценка акустических характеристик помещения, то источник шума, по возможности, устанавливают в месте, где расположены или предполагают расположить наиболее шумные машины.

2.1.3 ГОСТ 12 090;80

Частоты для акустических измерений. Предпочтительные ряды.

Настоящий стандарт устанавливает предпочтительные ряды частот, применяемых для акустических измерений и поверки на дискретных частотах и конструирования радиоэлектронной (в том числе измерительной) аппаратуры. Стандарт не распространяется на аудиометрическую аппаратуру, применяемую в медицине, аппаратуру проводной связи и аппаратуру для настройки музыкальных инструментов.

2.2 Требования по защите акустической информации Уровни шума и звукоизоляция (Таблица 3, Таблица 4)

Звукоизоляция помогает избавиться от внешних шумов и дает возможность не мешать окружающим. Звукоизоляция (непропускание шума), а не звукопоглощение (избежание распространения и отражения звуков). Обычные стены снижают уровень шума на 45−55dB.

Rw=47dB у 15-сантиметровой оштукатуренной стены в полкирпича

Причем дальнейшее удвоение массы (утолщение в два раза) дает всего не более 7dB.

Rw=54dB у 30-сантиметровой оштукатуренной стены в один кирпич

А дополнительные специальные дорогостоящие звукоизолирующие многослойные конструкции толщиной более 15 сантиметров помогут еще снизить шум не более, чем на 15dB.

Следует обратить внимание, что звукоизоляция небольшой толщины (<20мм) практически не даст ощутимого результата. При этом даже использование толстых (>150мм) и высококачественных материалов без точного соблюдения технологии монтажа (звукопередающие поверхности не должны жестко соприкасаться друг с другом) может так же не дать желаемого результата. В таком помещении недопустимы различные щели и отверстия — к примеру, обычная 15-миллиметровая щель под межкомнатной дверью снижает Rw на целых 5−9dB. Не стоит забывать и о самих дверях (обязательно с порогом и круговым уплотнителем) и хороших многокамерных окнах.

Таблица 3 — Допустимые по ГОСТ уровни звука

Таблица 4 — Примерный уровень шума от различных источников звука

2.3 Выбор оборудования

2.3.1 Назначение изделия АТЕ-9051 и технические характеристики (Таблица 5)

Измеритель уровня звука и АТЕ-9051 (далее — прибор) предназначены для измерения уровня звука частотой от 31,5 Гц до 8 кГц в диапазоне от 30 до 130 дБ.

Таблица 5- Измерители уровня звука