Основні поняття щодо вимірювань технічних каналів витоку мовної інформації

4.1.1 Основні поняття, визначення та одиниці вимірювання в акустиці

Звук – це коливальний рух пружного середовища. Звукове поле представляє собою простір, у якому розповсюджуються звукові коливання. Звукові коливання у газоподібному та рідкому середовищі являються подовжніми, бо частки речовини коливаються уздовж лінії розповсюдження звуку. Під впливом джерела звуку створюються стиснення та розрідження середовища, які переміщаються від джерела із швидкістю звуку.

Процес розповсюдження коливального руху у середовищі називається звуковою хвилею. За один повний період коливання Т звуковий процес розповсюджується у середовищі на відстань, яка дорівнює довжині хвилі λ = 1/ Т (рис. 4.1).

 

Рисунок. 4.1 – Повний період коливання

Довжина хвилі залежить від швидкості розповсюдження звуку у середовищі.

С _{повітря} = 340 м/с С _вода = 1490 м/с.

С _цегла = 2300 м/с. С _бетон = 3700 м/с.

С _сталь = 5200 м/с.

 

Звукове поле характеризується лінійними та енергетичними величинами.

Тиск p ₀ середовища за відсутності звукових коливань називають статичним (рис. 4.2). При розповсюдженні звукової хвилі тиск у певній точці середовища неперервне змінюється. При згущенні часток тиск збільшується і стає більшим за статичний, при розрідженні – навпаки, стає меншим за статичний.

Хвиле подібне змінення щільності р середовища, що обумовлене звуковими коливаннями, називають звуковим променем, а поверхню з однаковими фазами коливання називають фронтом хвилі. Фронт хвилі перпендикулярний звуковому променю.

Звуковим тиском називають різницю між миттєвим значенням тиску у певній точці простору та статичним тиском:

p _зв(t) = p _мгн(t) − p ₀. (4.1)

Звуковий тиск є знакозмінною величиною і визначається як сила, що діє на одиницю площі:

p _зв(t) = F/S [Н м²].

 

Рисунок 4.2 – Зміни звукового тиску у фіксованій точці звукового поля

 

Таким чином, зміна тиску у звуковій хвилі відносно середнього значення називається звуковим тиском Р та вимірюється у Паскалях. Один Паскаль – це тиск, що створюється силою у один Ньютон, яка діє на площу в один квадратний метр.

.

В акустиці прийнято використання відносних одиниць вимірювання звукового тиску – децибел.

(4.2)

У якості Р ₀ обрана величина Р = Р ₀ = 2∙10^-5 Па, що відповідає мінімальному звуковому тиску, що сприймається людським вухом. При цьому зміна рівня звукового тиску на 1 дБ являється мінімально, що розрізняється слухом людини величини зміни гучності.

4.1.2 Звукові сигнали

Інформація, носієм якої є акустичний сигнал, називається акустичною.

Якщо джерелом акустичної інформації є людська мова, то така інформація називається мовною.

Акустичний сигнал – це збурення пружного середовища різної форми і тривалості (акустичні коливання), що розповсюджуються від джерела в навколишній простір.

Розрізняють первинні і вторинні джерела акустичних коливань. До первинних відносяться безпосередні джерела (наприклад, органи мови людини), а до вторинних – різного роду перетворювачі (пьезоелементи, мікрофони, гучномовці тощо).

Всі звуки поділяються на декілька груп.

Чисті тони. Числі тони мають місце, коли звуковий тиск є гармонічною функцією з постійною частотою амплітудою та початковою фазою.

Співзвуччя. Співзвуччя представляє собою стаціонарний звук, що складається з декількох тонів. Часто під співзвуччям розуміють комбінацію основного тону з декільком обертонів з кратними частотами. Його можна розглядати як суму певних гармонік ряду Фур’є.

Амплітудно-модульовані тони являються нестаціонарними сигналами постійної частоти, амплітуда яки є функціями часу. Спектр АМ коливань має носійну частоту та дві бокові складові.

Частотно-модульовані тони. Характеристиками часто-модульованого сигналу являються носійна частота, частота модуляції, девіація носійної частоти та індекс модуляції. Індекс модуляції є відношення девіації частоти до моделюючої частоти. Чим більше індекс модуляції, тим більше бокових складових у частотному спектрі. При невеликих індексах спектр ЧМ-сигналів такий же, як і у АМ-сигналів. Частотний інтервал між складовими спектра ЧМ-сигналів дорівнює моделюючій частоті.

Биття. Якщо два тони мають однакові частоти й амплітуди, то при зміні різності фаз сигналів виникає биття. На слух воно сприймається як періодична зміна гучності тону.

Шуми. Звуки з неперервним спектром називаються шумами. За типом згинаючої амплітудно-частотного спектру шуми поділяються на білий, рожевий та рівномірно-маскуючий. У залежності від ширини частотного спектра шуми можуть бути широкосмуговими, вузько смуговими, октавними, третинооктавними тощо.

Білий шум характеризується спектральною щільністю, яка не залежить від частоти. Графіком спектральної щільності білого шуму є горизонтальна пряма в усьому частотному діапазоні (рис. 4.3).

Рожевий шум. Спектральна щільність рожевого шуму рівномірно спадає до області високих частот (пряма 2 на рис. 4.3). При цьому енергія шуму рівномірно розподіляється за всіма октавами.

 

 

Рисунок 4.3 – Частотні характеристики спектральної щільності: 1 – білого шуму, 2 – рожевого шуму, 3 – рівномірно маскуючого шуму.

 

Рівномірно маскуючий шум. В області нижніх частот 0…500 Гц цей шум має характеристики білого шуму, а після цього діапазону на вищих частотах він має властивості рожевого шуму. Тим самим враховуються особливості органу слуху людини. Однакове маскування в усьому діапазоні частот обумовлена тим, що критичні смуги слуху до 500 Гц приблизно однакові, а далі з ростом частоти їх ширина лінійно росте. При дії широкосмугового шуму слуховий аналізатор виділяє із суцільного спектру дискретний спектр, число складових якого дорівнює числу китичних смуг слуху. При сприйманні звуку, слуховий апарат розділяє його на критичні смуги. У діапазоні частот від 20 до 16000 Гц таких смуг є 24.

На частотах до 500 Гц ширина критичних смуг (частотних груп) дорівнює приблизно 100 Гц. На частотах вище 500 Гц ширина критичних смуг збільшується пропорційно середній частоті смуги.

На інтервалах критичних смуг слух інтегрує збудження по частоті. Слух сприймає не загальну потужність шуму, а лише потужність шуму у критичних смугах слуху. Рівномірно маскуючий шум можна сформувати спеціальним фільтром із сигналу білого шуму.

Порогом чутності називають найменше значення подразнюючої сили (звукового тиску) чистого тону, яке викликає відчуття звуку. Поріг чутності залежить від частоти. На частоті 1000 Гц він дорівнює приблизно 10 – 12 Вт/м². Абсолютний поріг чутності представляє собою поріг, що виміряний у повній тиші для гармонічного сигналу. Він визначається як середньо-статистична величина для людей віком 18 – 20 років при дії сигналу тривалістю не менше 250 мс. Крива рівня абсолютного порогу чутності показана на рис. 4.4 [10, с. 73]. Нульовому рівню відповідає звуковий тиск 2∙10^-5 Па.

Рисунок 4.4 – Криві абсолютного та больового порогів чутності

 

За звукового тиску 60…80 Па людина відчуває тиск на вуха. Ця величина тиску називається порогом відчутності (відчуття).

Тиск більше 150…200 Па викликає больові відчуття в органах слуху і називається больовим порогом (див. рис. 4.4).

Частоти звукових коливань знаходяться у смузі частот від 20 до 20000 Гц. Частоти нижче 20 Гц не сприймаються органом слуху людини і називають інфразвуковими. Частоти вище 20000 Гц називають ультразвуковими. У система телекомунікацій довжини звукових хвиль знаходяться у межах від 17 м до 1,7 см. Частоти звукових коливань розділяють на низькі (від 20 до 500 Гц), середні (від 500 до 2000 Гц) та високі (від 2000 до 20000 Гц).

В акустиці при частотному аналізі сигналів використовують стандартизовані частотні смуги шириною 1 октаву, 1/3 октави, 1/12 октави.

Октава – це смуга частот, у якій верхня гранична частота у два рази більше нижньої граничної частоти.

Δf = (f _В – f _H ) = 1 окт, якщо f _В = 2 f _H.

Центральні частоти стандартних октавних смуг відповідають наступному ряду:

2, 4, 8, 16, 31.5, 63, 125, 250, 500, 1000, 2000, 4000, 8000, 16000 (Гц)

 

Октаву поділяють на частини: напівоктаву та третинооктаву (рис. 4.5).

 

Рисунок 4.5 – Октавна та третинооктавна шкала частот

 

Спектри можуть бути суцільними. Суцільні спектри характеризують заленість спектральної щільності від частоти. Цю залежність називають також енергетичним спектром. Спектральною щільністю називають інтенсивність звуку у смузі частот шириною, яка дорівнює одиниці частоти. Для акустики цю смугу беруть рівною 1 Гц. Спектральна щільність J = I_Δf / Δf, I_Δf – інтенсивність звуку, виміряна у вузькій смузі Δf за допомогою вузько смугових фільтрів.

В акустиці введено логарифмічну міру щільності – спектральний рівень

B = 10 lg(J/I ₀), (4.3)

де I ₀ = 10^{− 12} Вт/м – інтенсивність звуку, що відповідає нульовому рівню.

 

Мовний сигнал представляє собою складний частотно та амплітудно модульований шумовий процес, що характеризується такими статистичними параметрами: частотний діапазон, рівень мовних сигналів, динамічний діапазон.

Частотний діапазон лежить у межах 70…7000 Гц. Енергія акустичних коливань у межах вказаного діапазону розподілена нерівномірно.

Рівні мовних сигналів. У різних умовах людина обмінюється усною інформацією з різним рівнем гучності. При цьому створюються наступні рівні звукового тиску:

- тихій шепіт 30…40 дБ;

- спокійна бесіда 55…60 дБ;

- виступ у аудиторії без

засобів звукопосилення 65…70 дБ.

Динамічний діапазон. Рівень розмови при озвучуванні одного повідомлення може змінюватись у значних межах. Різниця між квазимаксимальним та квазимінімальним рівнем для різних видів мови складає:

- дикторська мова 25…35 дБ;

- телефонна розмова 35…45 дБ;

- драматична мова 45…55 дБ.

4.1.3 Технічні канали витоку мовної інформації

Класифікацію технічних каналів витоку акустичної (мовної) інформації проводять залежно від природи виникнення, середовища розповсюдження і способів перехоплення акустичних сигналів. Технічні канали витоку акустичної (мовний) інформації можуть бути повітряними, вібраційними, електроакустичними, оптико-електронними (лазерними), параметричними.

4.2.1 Методи захисту мовної інформації від витоку технічними каналами

Захист акустичної (мовної) інформації досягається проектно-архітектурними рішеннями, проведенням організаційних та технічних заходів, а також виявленням електронних пристроїв перехоплення інформації.

Розповсюдження акустичних сигналів у приміщеннях та будівельних конструкціях.

При своєму розповсюдженні звукова хвиля, що дійшла до перешкоди (границі середовищ) та взаємодіючи з нею, частково відбивається від неї, а частково продовжує розповсюджуватись перешкодою.

Кількість акустичної енергії, яка переходить із одного середовища в інше, залежить від співвідношення їх акустичних опорів (рис. 4.7).

 

ρ₁С₁ = 41, (МПа с)/м; ρ₂С₂ = 30…40∙10² (МПа с)/м.

 

 

 

Рисунок 4.7 – Кількість акустичної енергії, що проходить із одного середовища в інше.

 

У будівельній акустиці використовуються такі основні поняття:

- коефіцієнт поглинання ;

- коефіцієнт відбивання ;

- коефіцієнт звукопроникності ;

- звукоізоляція .

У табл. 4.1 наведені параметр звукоізоляції – Q для типових будівельних конструкцій за кожною з центральних частот октавних смуг. Одиницею вимірювання є децибел.

 

Таблиця 4.1 – Звукоізоляція основних будівельних конструкцій

Тип будівельної конструкції	Центральні частоти октавних смуг, Гц
Оштукатурена цегляна стіна товщиною 270 мм
Залізобетонна стіна товщиною 100 мм
Гіпсобетонна перегородка товщиною 80 мм
Перегородка ДСП товщиною 20 мм

 

Методи захисту мовної інформації поділяються на пасивні та активі.

Пасивні методи захисту акустичної (мовний) інформації в приміщеннях направлені на ослаблення акустичних сигналів у межах контрольованої зони до величин, що забезпечують неможливість їх виділення засобами розвідки на фоні природних шумів.

Активні методи захисту мовної інформації направлені на:

- створення маскуючих акустичних (вібраційних) завад з метою зменшення співвідношення сигнал/шум на межі контрольованої зони до величин, що забезпечують неможливість виділення інформаційного сигналу засобами розвідки;

- електромагнітне і ультразвукове придушення диктофонів в режимі запису;

- створення прицільних радіозавад акустичним радіозакладкам (зокрема, засобам мобільного радіозв’язку, що використовуються як радіомікрофон) з метою зменшення співвідношення сигнал/шум на межі контрольованої зони до величин, що забезпечують неможливість виділення інформаційного сигналу засобами розвідки.

Основою пасивних методів захисту мовної інформації є звукоізоляція приміщень, активних – використання різного типу генераторів завад та іншої спеціальної техніки.

Звукоізоляція приміщень

Звукоізоляція приміщень направлена на локалізацію джерел акустичних сигналів усередині них і проводиться з метою виключення перехоплення акустичної (мовний) інформації по прямому акустичному (через щілини, вікна, двері, технологічні отвори, вентиляційні канали тощо) і вібраційному (через огороджувальні конструкції, труби тощо) каналам.

Звукоізоляція оцінюється величиною ослаблення акустичного сигналу, яке для суцільних одношарових або однорідних огорож (будівельних конструкцій) приблизно розраховується за формулою:

20 lg(c ∙ q_n ∙ f) – 47,5, дБ, (4.4)

де q_n – маса 1 м3 огорожі, кг; f – частота звуку, Гц; с – коефіцієнт пропорційності, 1/(кг ∙ Гц).

Звукоізоляція приміщень забезпечується за допомогою архітектурних і інженерних рішень, а також вживанням спеціальних будівельних і обробних матеріалів. Одним з найслабкіших звукоізоліюючих елементів є двері і вікна.

4.2.2 Порядок проведення контролю захищеності виділених приміщень від витоку акустичної мовної інформації

Загальні положення

Технічний контроль акустичної захищеності виділеного приміщення проводиться з метою документального підтвердження реальної можливості витоку (або її відсутність) акустичної інформації з приміщення, що перевіряється, в робочому режимі.

Технічний контроль проводиться щодо місць можливого розміщення апаратури розвідки:

- носимої – на межі контрольованої зони;

- возимої – в місцях можливого знаходження апаратури розвідки (стоянки автомобілів, сусідні будівлі або споруди).

Контроль захищеності від випадкового (ненавмисного) прослуховування проводиться щодо місць можливого перебування осіб, не допущених до конфіденційної інформації. При оцінці заходів щодо інформаційного захисту приміщень враховуються наступні можливі технічні канали витоку або порушення цілісності інформації:

- акустичне випромінювання мовного сигналу по повітряному середовищу;

- електричні сигнали, що виникають в результаті перетворення акустичних сигналів електричними пристроями з мікрофонним ефектом, що розповсюджуються дротяними лініями за межі контрольованої зони;

- вібраційні сигнали, що виникають за допомогою перетворення акустичних сигналів в коливання пружних середовищ огороджуючих конструкцій виділених приміщень;

- електромагнітні випромінювання випадкових джерел (паразитних генераторів), модульовані звуковим сигналом.

Вимірювання відношення «сигнал/шум» в контрольних точках при інструментальному контролі робочих приміщень, не обладнаних системою звукопідсилення

Якщо робоче приміщення, що захищається, не обладнано системою звукопідсилення, то встановлено наступний порядок вимірювання відношення «сигнал/шум». В акустичній системі передавального вимірювального комплексу встановлюється рівень випромінювання 90 дБ. Для кожної обраної контрольної точки з використанням приймального вимірювального комплексу в кожній октавній смузі проводяться наступні вимірювальні та розрахункові операції:

- при вимкненому передавальному вимірювальному комплексі зміряти октавний рівень акустичного (вібраційного) шуму L _{ш i} (V _{ш i} ) в дБ;

- включити передавальний вимірювальний комплекс і зміряти октавний сумарний рівень (суміш) акустичного сигналу і шуму L _{(с+ш) i} або вібраційного сигналу і шуму V _{(с+ш i)};

- розрахувати октавний рівень акустичного (вібраційного) сигналу L _{c i} (V _{c i} ) за формулами

L _{c i} = L _{(с+ш) i} – Δ₁,

V _{c i} = V _{(с+ш i)} – Δ₁, (4.5)

де Δ₁ – в дБ визначається із спеціальної таблиці [10, с. 333].

- розрахувати октавне відношення «акустичний (вібраційний) сигнал/шум» E_i в дБ за формулами

 

E_i = L _{с i} – L _{ш i} – 20,

E_i = V _{с i} – V _{ш i} – 20, (4.6)

 

Вимірювання відношення «сигнал/шум» в контрольних точках при інструментальному контролі робочих приміщень, обладнаних системою звукопідсилення. При інструментальному контролі робочих приміщень, обладнаних системою звукопідсилення, вимірювання відношення «сигнал/шум» проводиться в наступній послідовності.

Встановити рівень випромінювання акустичної системи 70 дБ і розмістити її перед мікрофоном системи звукопідсилення так, щоб забезпечувався номінальний режим роботи даної системи.

Для кожної обраної контрольної точки з використанням приймального вимірювального комплексу в кожній октавній смузі провести наступні вимірювальні і розрахункові операції:

- при вимкненому передавальному вимірювальному комплексі зміряти октавний рівень акустичного (вібраційного) шуму L _{ш i} (V _{ш i} ) в дБ;

- включити передавальний вимірювальний комплекс і зміряти октавний сумарний рівень (суміш) акустичного сигналу і шуму L _{(с+ш) i} або вібраційного сигналу і шуму V _{(с+ш i)};

- розрахувати октавний рівень акустичного (вібраційного) сигналу Lсi (Vсi) по формулах:

L _{c i} = L _{(с+ш) i} – Δ₁,

V _{c i} = V _{(с+ш i)} – Δ₁, (4.7)

 

де Δ₁ – в дБ визначається з відповідної таблиці;

- розрахувати октавне відношення «акустичний (вібраційний) сигнал/шум» E_i за формулами:

 

E_i = L _{с i} – L _{ш i} – 20,

E_i = V _{с i} – V _{ш i} – 20, (4.8)

 

Погрішність вимірювань повинна оцінюватися статистичними методами. Повторюваність результатів повинна відповідати даним, приведеним в нормативних документах.

Результати інструментального контролю повинні бути оформлені протоколом, а також рекомендаціями і пропозиціями по забезпеченню виконання норм протидії акустичній мовній розвідці.

4.2.3 Контроль технічних засобів і систем на відповідність встановленим нормам на параметри у мовному діапазоні частот

1. Підготовчий етап контролю

На підготовчому етапі проводиться:

- визначення місць розміщення основних та допоміжних технічних засобів (з прив’язкою до приміщень, в яких вони встановлені) щодо трас прокладки інформаційних і неінформаційних ланцюгів, що виходять за межі контрольованої території;

- перевірка наявності проведення спецперевірок і спецдосліджень основних та допоміжних технічних засобів, а також виконання вимог розпоряджень на експлуатацію цих засобів;

- перевірка наявності і правильності установки сертифікованих засобів захисту інформації по слабкострумових і сильнострумових ланцюгах;

- перевірка правильності прокладки (допустимі величини рознесення) інформаційних і неінформаційних струмопровідних ланцюгів і комунікацій відповідно до вимог нормативних документів.

Небезпечними і підлягаючими обов’язковому контролю є всі струмопровідні комунікації і сторонні провідники (мережі зв’язку та передачі даних, електроживлення, заземлення, пожежно-охоронної сигналізації, часофікациі, радіофікації, інженерні комунікації: водопровід, опалювання тощо), що мають вихід за межу контрольованої зони.

За відсутності розпоряджень на експлуатацію та висновків про спеціальну перевірку технічних засобів атестація об’єкту припиняється до виконання необхідних заходів.

Перевірка проводиться на основі наступних документів, що входять в паспорт об’єкту:

- план контрольованої зони підприємства (установи);

- склад технічних засобів, розташованих у виділеному приміщенні;

- плани розміщення основних і допоміжних технічних засобів і систем в приміщенні;

- схеми прокладки ліній передачі даних (слабкострумові мережі: телефон, пожежно-охоронна сигналізація, часофікация, радіофікація та ін.);

- схеми і характеристики систем електроживлення і заземлення об’єкту інформатизації.

Перевірка проводиться в два етапи: спочатку проводиться оцінка правильності виконання вимог СТР по схемах, потім перевіряється відповідність схем реальному розміщенню технічних засобів і прокладці ліній.

2. Методика контролю

Контролю технічних засобів і систем з метою встановлення їх відповідності нормам на параметри в мовному діапазоні частот відповідають наступні технічні заходи:

- інструментальна перевірка рівня акустоелектричних перетворень у ВТСС, підключених до мереж і ліній, що мають вихід за межу контрольованої зони;

- інструментальна перевірка в основних технічних засобів наявність паразитної генерації і наведень в лінії електроживлення.

Перевірка паразитної генерації проводиться тільки на виявлення факту наявності або відсутності. Як вимірювальні прилади застосовуються аналізатор спектру й осцилограф. Наявність модуляції перевіряється по зміні рівня або зміні форми сигналу електромагнітного поля.

У разі виявлення наявності паразитних генераторів, модульованих акустичним сигналом, технічний засіб повинен вилучатися з виділеного приміщення.

Як джерело акустичного сигналу використовується генератор шуму з інтегральним рівнем звукового тиску 70 дБ. Можна використовувати генератор гармонійного сигналу з частотою 1 кГц з перебудовою частоти на 10-15% в обидві сторони для виключення резонансів. Вимірювання проводяться нановольтметром, що має шкалу 1 мкВ.

При установці несертифікованих або з простроченим сертифікатом засобів захисту проводиться обов’язкова перевірка їх працездатності.

При виявленні порушень вимог нормативних документів по допустимих величинах рознесення інформаційних і неінформаційних струмопровідних ланцюгів і комунікацій допускається проведення інструментального контролю наявності наведених електричних сигналів в ланцюгах, що відходять, по методиках спеціальних досліджень. Вказані перевірки проводяться додатково до програми атестаційних випробувань.

У разі виявлення перевищення рівня сигналу встановлених норм атестаційна перевірка припиняється до усунення порушень.