4.3.1 Класифікація акустоелектричних перетворювачів
У будь-якому приміщенні можуть знаходитись різноманітні технічні засоби (ТЗ): це телефон, пожежні й охоронні датчики, оргтехніка, системи зв’язку тощо. У нормальному режимі роботи ці технічні засоби можуть утворювати канали витоку інформації.
Відомі способи несанкціонованого отримання інформації щодо акустики приміщення за рахунок приєднування до ліній телефонних апаратів (особливо до старих апаратів з електромеханічними дзвінками), лініям диспетчерського або гучномовного зв’язку, деяким лініям охоронної сигналізації та лініям електроживлення. Подібні канали витоку створюються за рахунок явища акустоелектричних перетворень (АЕП) в елементах технічного засобу.
Акустоелектричний перетворювач – це пристрій, що перетворює акустичну енергію (тобто енергію пружних хвиль у повітряному середовищі) в електромагнітну енергію в схемах тих пристроїв, в яких знаходяться акустоелектричні перетворювачі. Поширені лінійні акустоелектричні перетворювачі, які задовольняють вимогам неспотвореної передачі сигналу та оборотності, тобто які можуть працювати як випромінювач і як приймач (задовольняють принципу взаємності).
У основі явища АЕП лежать наступні фізичні ефекти:
- електродинамічний ефект – виникнення електрорушійної сили (ЕРС) (струму) в обмотці, що коливається в магнітному полі;
- електромагнітний ефект – зміна магнітного потоку через феромагнітне осереддя при його механічному переміщенні, викликаному акустичними коливаннями і, отже, зміна струму в його обмотці;
- електростатичний ефект – зміна відстані між обкладинками конденсатора (наприклад, повітряного) і отже зміна напруги на ньому;
- зворотний ефект магнітострикції (ефект Велларі) – перетворення механічної енергії, що прикладається до сердечника з магнітострикційного матеріалу, в енергію магнітного поля, яка викликає ЕРС в обмотці. Такі конструкції використовуються у фільтрах, резонаторах і т.п.;
- п’єзоелектричний ефект – виникнення напруги на поверхнях деяких кристалів при їх стисненні та розтягуванні;
- тензорезистивний ефект – зміна опору напівпровідникових приладів при застосуванні до них механічних зусиль.
У ряді випадків акустоелектричні перетворення виникають за рахунок оборотності дії елементу, закладеного в конструкцію (динаміки), в інших випадках за рахунок неякісного виконання елементів (рихле намотування індуктивностей, зміна відстані між обкладинками конденсатора тощо).
Таким чином, значна кількість елементів різних пристроїв, може мати акусто перетворюючий ефект, і може бути джерелом для створення каналу витоку конфіденційної акустичної інформації.
Методика інструментально-розрахункової оцінки можливості витоку мовної конфіденційної інформації каналами електроакустичних перетворень, розроблена Гостехкоміссиею Росії [10, с. 465]. Метод оцінки полягає в інструментально-розрахунковому визначенні сукупності октавних відношень напруг, що наводяться у сигнальних ланцюгах технічного засобу тестовим акустичним сигналом і шумом за рахунок їх акустоелектричних перетворень і подальшим порівнянням цих відношень з нормативними значеннями.
4.3.2 Дослідження акустоелектричних перетворень
Під акустоелектричним перетворенням розуміють перетворення механічної енергії акустичного сигналу окремими пристроями в електричний сигнал (напруга, струм, заряд), модульований за законом зміни акустичного сигналу. У свою чергу, електричні сигнали створюють електричне та магнітне поля, які також можуть утворити канал витоку інформації. Небезпека акустоелектричного каналу витоку полягає в тому, що наведені електричні сигнали не зважаючи на їх низький рівень можуть розповсюджуватися дротяними лініями за межі контрольованої зони та перехоплюватися засобами технічної розвідки.
При дослідженні акустоелектричних перетворень вимірюванню підлягають наступні акустичні та електричні параметри.
В акустиці має місце великий діапазон зміни акустичних параметрів звуку. Закон сприймання чутних звуків є логарифмічним. За цими причинами результати вимірювань прийнято представляти у відносних логарифмічних одиницях. Для вимірювання слухового відчуття було запропоновано одиницю децибел (дБ), що дорівнює 0,1 бела (Б). Параметри, що виміряні в децибелах називають рівнями. Розрізняють відносні, абсолютні, акустичні та електричні рівні.
За рівень L енергетичних параметрів k (інтенсивності звуку, електричної потужності та ін.) приймають L =10 lg (k /k 0), де k – виміряний параметр, k 0 – деяке значення параметра, що приймається за нульовий рівень.
При оцінці рівня інтенсивності звуку LI за нульовий рівень приймають інтенсивність звуку I 0, близьку до порогової інтенсивності для нормального слуху на частоті 1000 Гц і яка дорівнює 10−12 Вт/м2. Тоді рівень інтенсивності звуку визначається як
LI = 10 lg(I⁄ I 0). (4.9)
Рівень густини енергії, який прямо пропорційний інтенсивності звуку, визначається за формулою
L ε = 10 lg(ε⁄ ε0), (4.10)
де ε0 = I 0 ⁄с = 10–12⁄333 ≈ 3∙10–15 Дж⁄м3 – нульовий рівень густини енергії.
Під рівнем лінійного параметру (звукового тиску, напруги, струму тощо) розуміють величину L =10lg(k / k 0). Рівень звукового тиску дорівнює
Lp = 20 lg(p зв/ p зв0), (4.11)
де р зв0 = 2⋅10−5 Па.
Електричні рівні підрозділяють на рівні потужності
рівні напруги
LU = 10 lg(U / U 0), (4.12)
рівні струму
LI = 10 lg(I / I 0), (4.13)
де P 0 = 1мВт, а при розсіюванні цієї потужності на опорі 600 Ом отримаємо U 0 = 0,775 В, I 0 =1,29 мA.
При розрахунку абсолютних електричних рівнів застосовують додавання до скороченого позначення децибелу початкової букви відповідної величини, а саме дБн вказує на абсолютний рівень напруги, а дБм – на абсолютний рівень потужності.
Також прийнято, що розмірності дБ/B, дБ/мВ, дБ/мкВ, дБ/Вт позначають відносні рівні величин напруги та потужності, які обчислені відносно 1 В, 1 мВ, 1мкВ, 1 Вт.
Ключові запитання
1. Запишіть формулу прямого та оберненого перетворення Фур’є. Який фізичний смисл має перетворення Фур’є?
2. Наведіть рівність Парсеваля та поясніть її фізичний смисл.
3. Запишіть формули перетворення Фур’є як перетворення функції часу у функцію частоти та розкладання часової функції на гармонічні складові з різними частотами.
4. Як виглядає віконне перетворення Фур’є та поясніть його застосування у сучасних цифрових осцилографах і аналізаторах спектру.
5. Що називають рядом Фур’є? Наведіть його формулу. 6. Запишіть формулу Фур’є у базисі синусів та косинусів і у базисі експоненти уявного аргументу.
6. Дайте визначення тригонометричного ряду Фур’є.
7. Проведіть аналіз розкладання у ряд Фур’є для прямокутної часової функції.
8. Сформулюйте теорему відліків. 10. Запишіть формулу та поясніть фізичний смисл ряду Котельникова.
9. Наведіть формулу та графік функції відліків. 12. Які властивості має функція відліків?
10. Наведіть формулу для обчислення енергії сигналу, який має обмежений спектр, та поясніть, чому ця формула приблизна.
11. Поясніть, які висновки слідують із теореми Котельникова.
12. Сформулюйте теорему відліків для частотної області.
13. Покажіть спектральне представлення гармоніки: гармонічна частота на шкалі частот та на шкалі фази. Запишіть формулу комплексного представлення косинусоїди та покажіть представлення гармоніки для комплексної форми запису косинусоїди.
14. Наведіть тригонометричну форму запису ряду Фур’є для функції f (t), та формули для амплітуди та коефіцієнтів розкладення. Наведіть комплексну форму запису ряду Фур’є для функції f (t), та формули для комплексної амплітуди та коефіцієнтів розкладення
15. Поясніть поняття «шпаруватість» для періодичної імпульсної послідовності. Запишіть формулу для комплексної амплітуди одиночного імпульсу
16. Проведіть аналіз спектру періодичної послідовності імпульсів.
17. Задане розкладання періодичної часової функції у ряд Фур’є 
. Поясніть, як змінюється спектр при зростанні періоду Т.
18. Наведіть графіки функцій при амплітудній, фазовій та частотній модуляції.
19. Які обчислення виконуються перш за все над прийнятим сигналом у спектральному аналізаторі? Наведіть формули для розрахунку значення максимальної амплітуди, усередненої амплітуди послідовності імпульсів.
20. Які функції перетворення прийнятих сигналів виконують перетворювач радіочастот (ПРЧ), блок панорамного обзору (БПО), блок аналого-цифрового сигнального процесора (АЦСП) та персональний комп’ютер (ПЕОМ)?
21. Поясніть формули обчислення середньої потужності, функції щільності потужності, енергетичного спектру та одностороннього енергетичного спектру.
22. Дайте визначення автокореляційної функції та поясніть зв’язок між енергетичним спектром та авто кореляційною функцією.
23. Поясніть призначення, визначення та властивості згортки сигналів.
24. Розкрийте методи розрахунків згортки послідовностей.
25. Прокоментуйте програму обчислення згортки послідовності.
